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智能照明將高效、長(zhǎng)壽命的 LED 與無線連接相結(jié)合，允許樓宇管理者根據(jù)使用情況定制照明方案，最大限度地降低耗電量。在新建筑中安裝智能照明相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)現(xiàn)有建筑進(jìn)行改造卻很復(fù)雜，而且成本也高得多。既有物業(yè)的樓宇管理者試圖尋找更便宜的替代方案，使他們能夠利用先進(jìn)的照明技術(shù)。 一種高性價(jià)比的簡(jiǎn)單替代方案是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中添加以太網(wǎng)供電 (PoE) 來為 LED 供電。不過，該方案的缺點(diǎn)是以太網(wǎng)不太適合智能照明的連接，因?yàn)樗臼窃O(shè)計(jì)用于計(jì)算機(jī)之間頻繁、大量的信息傳輸，而不是智能照明控制和配置所需的少量、不頻繁的數(shù)據(jù)傳輸。 解決方案是將 PoE 與低功耗 (LE) 藍(lán)牙連接相結(jié)合，通過智能手機(jī)進(jìn)行無線配置和控制。這種短距離射頻標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能照明，而且關(guān)鍵是，可以與智能手機(jī)互操作。這種互操作性確保可以通過手機(jī)上的應(yīng)用程序直接控制燈光，而不需要昂貴的專有用戶界面。 本文介紹了 PoE 和基于 PoE 的 LED 照明基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)勢(shì)，并說明了設(shè)計(jì)人員可以如何實(shí)施 PoE LED 照明解決方案。然后，本文借鑒來自 Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 的 PoE 加低功耗藍(lán)牙參考設(shè)計(jì)和評(píng)估套件，介紹了如何利用低功耗藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無線配置和控制。 PoE 簡(jiǎn)介 最初的 PoE 技術(shù)（IEEE 802.3af“1 類”）為每臺(tái)設(shè)備提供標(biāo)稱 15.4 W 的直流電源（最低 44 V DC 和 350 mA）。該技術(shù)使用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)常用的 RJ45 連接器和 Cat5 網(wǎng)線。 可以通過以太網(wǎng)電纜的未使用導(dǎo)線進(jìn)行電力傳輸（方案 B）；也可以向每對(duì)絞線施加共模電壓，通過電纜的數(shù)據(jù)線進(jìn)行電力傳輸，由于以太網(wǎng)通過差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，因此不會(huì)受到干擾（方案 A）。 IEEE 802.3af 定義了兩種類型的 PoE 設(shè)備：供電設(shè)備 (PSE) 和用電設(shè)備 (PD)。PSE 經(jīng)由自己的常規(guī)電源供電，然后管理通過以太網(wǎng)電纜網(wǎng)絡(luò)傳輸給 PD 的電力，而 PD 則可通過 PoE 獲得所需的電力。IEEE PoE 標(biāo)準(zhǔn)提供了 PSE 與 PD 之間的信令，讓 PSE 能夠檢測(cè)到符合要求的設(shè)備。PSE 在導(dǎo)線上施加 2.8 至 10 V 的直流電壓，并通過測(cè)量環(huán)路電流來確定是否連接了 PD。PD 應(yīng)表示為 19 至 27 kΩ 的阻性負(fù)載和 120 nF 的并聯(lián)電容器。檢測(cè)到 PD 后，PSE 和 PD 就會(huì)“協(xié)商”所需或可用的功率。 隨著越來越多的設(shè)備需要比最初標(biāo)準(zhǔn)的 15.4 W 更高的功率，為了滿足這一需求，"PoE+"（IEEE 802.3at“2 類”）于 2009 年面世。該技術(shù)可為 PD 提供高達(dá) 25.5 W 的標(biāo)稱功率。PoE+ 電流從最初標(biāo)準(zhǔn)的 350 mA 增加到 600 mA。（有關(guān) PoE 和 PoE+ 的更多信息，請(qǐng)參見 Digi-Key 技術(shù)文章《以太網(wǎng)供電簡(jiǎn)介》。）更新的版本 IEEE 802.3bt“3 類”和“4 類”分別提供 60 W 和 90 W 的標(biāo)稱功率，以及 600 mA 和 960 mA 的電流。 實(shí)施中跨 PoE 設(shè)計(jì) PSE 可以作為端跨（通過交換機(jī)/集線器），也可以作為中跨。端跨 PSE 通常位于以太網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)，而中跨 PSE 是位于普通以太網(wǎng)交換機(jī)與 PD 之間的“供電器”，通過網(wǎng)線供電，而不影響數(shù)據(jù)傳輸。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，要用支持 PoE 的新型號(hào)來替換現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機(jī)，成本相當(dāng)高昂。然而，若是安裝 PSE 作為中跨，即可輕松將 PoE 引入到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中。 在 PoE 中跨實(shí)施中，直接通過未使用的以太網(wǎng)絞線來配電。PoE PSE 正輸出 (V+) 連接導(dǎo)線 4 和 5，而 PSE 負(fù)輸出 (V-) 連接導(dǎo)線 7 和 8。在這種配置中，兩對(duì)電源線與兩對(duì)原始信號(hào)線分離，原始信號(hào)線并未通過 PoE 中跨供電器連接。這種實(shí)施類型如下圖所示，使用 Maxim Integrated 的 MAX5969 單通道 PD 控制器和 MAX5980 四通道 PSE 控制器進(jìn)行配置（圖 1）。 
圖 1：PoE 中跨實(shí)施方案，通過以太網(wǎng) Cat5 電纜中先前未使用的電源線進(jìn)行電力傳輸。(圖片源：Maxim Integrated) MAX5969 為符合 IEEE 802.3af/at PoE 系統(tǒng)的 PD 提供了完整的接口。該器件還為 PD 提供檢測(cè)簽名、分類簽名，以及帶浪涌電流控制的集成式隔離電源開關(guān)。根據(jù)輸入電壓的不同，MAX5969 以四種不同的模式運(yùn)行：PD 檢測(cè)、PD 分類、標(biāo)記事件，以及 PD 電源。當(dāng)輸入電壓介于 1.4 至 10.1 V 之間時(shí)，該器件進(jìn)入 PD 檢測(cè)模式；當(dāng)輸入電壓介于 12.6 至 20 V 之間時(shí)，器件進(jìn)入 PD 分類模式。一旦輸入電壓超過 VON (35.4 V)，該器件則會(huì)進(jìn)入 PD 電源模式。 MAX5980 四通道 PSE 控制器設(shè)計(jì)用于 IEEE 802.3af/at PoE PSE 的實(shí)施。該器件提供 PD 發(fā)現(xiàn)、分類、限流和負(fù)載斷開檢測(cè)功能，并具有四種工作模式： · 自動(dòng)模式允許器件以默認(rèn)設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行，無需任何軟件 · 半自動(dòng)模式能自動(dòng)檢測(cè)連接至端口的設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行分類，但在軟件指示之前不為端口供電 · 手動(dòng)模式允許對(duì)器件進(jìn)行完全的軟件控制，該模式對(duì)系統(tǒng)診斷非常有用 · 關(guān)斷模式將終止所有活動(dòng)，使端口安全斷電 Maxim 提供了 MAX5980EVKIT 評(píng)估套件 (EK)，用于 MAX5980 的開發(fā)工作。該評(píng)估套件具有四端口以太網(wǎng) PSE 電路，包括 MAX5980 PSE 控制器和四個(gè) N 溝道功率 MOSFET，可用作 -48 V 或 -54 V 電源。該評(píng)估套件為四個(gè)以太網(wǎng)輸出端口分別配置了單獨(dú)的獨(dú)立電源通道，并允許工程師對(duì)每個(gè)通道執(zhí)行 PSE 控制器的全部功能。工程師可以設(shè)置可配置的工作模式和大功率模式（每個(gè)端口最多可編程為 30 W），還可以通過 I2C 接口、PD 檢測(cè)、PD 分類、過流和欠壓/過壓保護(hù)、折返式電流和直流斷開檢測(cè)等，收集端口電流信息來進(jìn)行試驗(yàn)。 配置可通過兼容 PC 的軟件完成，并可對(duì)各個(gè)寄存器進(jìn)行位級(jí)訪問（圖 2）。
圖 2：MAX5980 評(píng)估套件包括兼容 PC 的軟件，可對(duì) PSE 控制器監(jiān)控的四個(gè)端口進(jìn)行簡(jiǎn)單配置。(圖片源：Maxim Integrated) 添加基于 PoE 的 LED 照明 除了無需布設(shè)新的智能照明線路，PoE 連接照明的主要優(yōu)勢(shì)在于降低了 LED 燈具電源的復(fù)雜性。 連接至 PoE 插口的 LED 燈具充當(dāng) PD，直接從網(wǎng)絡(luò)中獲得清潔、穩(wěn)定的直流電，而不需要通過初級(jí)側(cè)電壓調(diào)節(jié)將交流轉(zhuǎn)換為直流，并降低市電電壓。然而，PoE 的（標(biāo)稱）44 V 直流電源不適合直接為 LED 供電，因此應(yīng)在電源與燈具之間安裝 LED 驅(qū)動(dòng)器。該 LED 驅(qū)動(dòng)器可調(diào)節(jié)輸入，將其轉(zhuǎn)換為 LED 所需的恒流、恒壓。 為 PoE 操作而設(shè)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)典型例子是 Maxim Integrated 的 MAX16832。該器件是一款降壓恒流高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器，電壓輸入范圍為 6.5 至 65 V，提供高達(dá) 1 A 的恒定輸出電流，精度為 ±3%。專用 PWM 輸入在較寬的亮度范圍內(nèi)支持脈沖式 LED 調(diào)光。2 MHz 的開關(guān)頻率允許使用更小的磁性元件。據(jù)稱，通過 45 V 輸入驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)串聯(lián)的 LED 時(shí)，能效約為 95%。模擬熱折返功能可在 LED 燈串的溫度超過指定值時(shí)降低 LED 電流。MAX16832 的典型應(yīng)用電路如圖所示（圖 3）。
圖 3：MAX16832 高亮度 LED 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用電路。該驅(qū)動(dòng)器適用于 PoE LED 照明應(yīng)用。(圖片源：Maxim Integrated) 將基于 PoE 的 LED 照明與低功耗藍(lán)牙相結(jié)合 LED 可以精確調(diào)光、即時(shí)開啟或關(guān)閉，并可配置為提供多種溫度和顏色變化。連接性使消費(fèi)者能夠輕松獲得這種可變性。直接使用以太網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能照明連接可以實(shí)現(xiàn)但很復(fù)雜，因?yàn)橐蕴W(wǎng)本是設(shè)計(jì)用于計(jì)算機(jī)之間頻繁地傳輸大量數(shù)據(jù)，而不是在 LED 燈具之間不頻繁地傳輸少量數(shù)據(jù)。 相比之下，低功耗藍(lán)牙非常適合智能照明連接的要求。主要優(yōu)勢(shì)包括：在 100 米范圍內(nèi)高能效傳輸少量數(shù)據(jù)、廣泛的供應(yīng)商基礎(chǔ)、與智能手機(jī)的互操作性（無需額外的用戶界面即可進(jìn)行配置和控制），以及支持即時(shí)控制特定燈或燈組的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。（有關(guān)藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的更多設(shè)計(jì)信息，請(qǐng)參見 Digi-Key 技術(shù)文章《使用藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)低功耗藍(lán)牙智能應(yīng)用》。） 將低功耗藍(lán)牙添加至 PoE LED 燈中并非易事（有關(guān)采用低功耗藍(lán)牙設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)參見 Digi-Key 技術(shù)文章《低功耗藍(lán)牙模塊物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用》），但由于其帶來的明顯優(yōu)勢(shì)，這是一項(xiàng)值得去做的工作。此外，利用芯片供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)和評(píng)估套件，開發(fā)基于 PoE 的無線連接智能燈具原型設(shè)計(jì)會(huì)變得更加簡(jiǎn)單。 一個(gè)例子是 STMicroelectronics 具有低功耗藍(lán)牙連接的 PoE 參考設(shè)計(jì) STEVAL–POEL45W1。該參考設(shè)計(jì)基于該公司符合 IEEE802.3bt 標(biāo)準(zhǔn)的 PM8805 PD PoE 接口、能夠提供高達(dá) 3 A 電流的 LED 驅(qū)動(dòng)器和低功耗藍(lán)牙模塊。該參考設(shè)計(jì)提供 45 W 的功率輸出。 隨參考設(shè)計(jì)提供的固件 (STSW-POEL45FW) 可與 PoE 照明 Android 應(yīng)用進(jìn)行通信，支持通過控制 500 Hz 脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 占空比（也由固件生成）來管理 LED 驅(qū)動(dòng)器的開/關(guān)模式和調(diào)光。此外，設(shè)計(jì)人員還可以自由開發(fā)應(yīng)用軟件，以增強(qiáng) LED 的無線配置和控制，并可使用該公司的 STSW-BNRG1STLINK 實(shí)用工具，對(duì)低功耗藍(lán)牙芯片進(jìn)行編程。 ON Semiconductor 提供的產(chǎn)品是 LIGHTING-1-GEVK 互聯(lián)照明平臺(tái)。該產(chǎn)品包含多個(gè)插入式評(píng)估板（支持雙 LED 驅(qū)動(dòng)器、LED 照明和低功耗藍(lán)牙功能），可用于構(gòu)建具有無線連接功能的完整商用照明解決方案。默認(rèn)電源是一個(gè) AC/DC 轉(zhuǎn)換器，但該公司也提供了 PoE 電源 LIGHTING-POWER-POE-GEVB（圖 4）。
圖 4：ON Semiconductor 的 PoE 電源用于該公司的互聯(lián)照明平臺(tái)，可將 LED 燈具轉(zhuǎn)換為符合 IEEE 802.3af/at/bt 標(biāo)準(zhǔn)的 PD。（圖片來源：ON Semiconductor） 這款 PoE 電源的核心是該公司的 NCP1096PAR2G PoE PD 控制器。該芯片將 LED 燈具轉(zhuǎn)換為符合 IEEE 802.3af/at/bt 標(biāo)準(zhǔn)的 PD。NCP1096 通過內(nèi)部傳輸晶體管支持大功率應(yīng)用（最高 90 W）。 要使用配備 PoE 電源的互聯(lián)照明平臺(tái)，需要將 PSE 中跨供電器連接至電源的輸入端。ON Semiconductor 建議使用 Phihong 的 POE90U-1BT-2-R，這款中跨供電器能夠通過 100 V 至 240 V 的輸入以 56 V 的電壓提供高達(dá) 90 W 的電源。 當(dāng) PSE 中跨供電器接入 PoE 電源輸入端后，只需將 LED 驅(qū)動(dòng)器連接至電源輸出端，將 LED 連接至驅(qū)動(dòng)器輸出端，并將低功耗藍(lán)牙連接模塊連接至 LED 驅(qū)動(dòng)器上的連接器，即可實(shí)現(xiàn)基于 PoE 的完整無線連接硬件系統(tǒng)。 該互聯(lián)照明平臺(tái)的固件開發(fā)是通過該公司的藍(lán)牙 CMSIS 軟件開發(fā)套件 (SDK) 完成的，該套件是一款可以在一系列集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 中運(yùn)行的設(shè)計(jì)工具。固件在 FreeRTOS 上運(yùn)行，F(xiàn)reeRTOS 是 CMSIS SDK 中包含的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。安裝到 IDE 上后，設(shè)計(jì)人員即可使用該 SDK 試驗(yàn)以下低功耗藍(lán)牙服務(wù)： · 燈光控制服務(wù)：連接的設(shè)備用來讀取和更改所連接 LED 燈串的狀態(tài)。 · 遙測(cè)服務(wù)：將平臺(tái)測(cè)量的變量提供給連接的設(shè)備。這些變量包括每個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器的電流和系統(tǒng)電壓。 · PoE 功率輸送服務(wù)：允許對(duì)等設(shè)備檢索有關(guān) PoE 對(duì)設(shè)備施加的功率限制的信息，該限制經(jīng)由 PoE 供電器與平臺(tái)協(xié)商得到。 藍(lán)牙 CMSIS SDK 包含許多樣例應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序可以輕松導(dǎo)入 IDE 工作區(qū)，并由此移植到互聯(lián)照明平臺(tái)的低功耗藍(lán)牙芯片上（圖 5）。
圖 5：ON Semiconductor 的藍(lán)牙 CMSIS SDK 包含用于該公司的互聯(lián)照明平臺(tái)的照明樣例應(yīng)用程序。（圖片來源：ON Semiconductor） 除此之外，該互聯(lián)照明平臺(tái)還附帶關(guān)聯(lián)的智能手機(jī)應(yīng)用，即 RSL10 Sense and Control 應(yīng)用，同時(shí)兼容 iOS 和 Android 智能手機(jī)。下載到智能手機(jī)后，該應(yīng)用即會(huì)提示開發(fā)者將其與互聯(lián)照明平臺(tái)配對(duì)。然后，開發(fā)人員可以使用該應(yīng)用： · 顯示測(cè)量的 LED 通道電流和系統(tǒng)電壓遙測(cè)數(shù)據(jù) · 獨(dú)立設(shè)置每個(gè) LED 通道的 PWM 占空比（從而控制調(diào)光） · 顯示 PoE PD 控制器與 PSE 之間協(xié)商的功率限制信息（圖 6）
圖 6：ON Semiconductor 的 Sense and Control 應(yīng)用可提供互聯(lián)照明平臺(tái)的配置和性能信息。（圖片來源：ON Semiconductor） 結(jié)語 智能照明將高效、長(zhǎng)壽命的 LED 與無線連接的便利性相結(jié)合。有一種高性價(jià)比的簡(jiǎn)單替代方案可以升級(jí)現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，即在商業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施 PoE 來為 LED 燈供電，并添加低功耗藍(lán)牙連接，以便通過智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)照明的無線配置和控制。 雖然設(shè)計(jì)基于 PoE 的無線智能照明方案并非易事，但市面上許多成熟的 PoE PSE 和 PD 解決方案、一系列兼容 PoE 的 LED 驅(qū)動(dòng)器和低功耗藍(lán)牙，在設(shè)計(jì)時(shí)就已將智能照明考慮在內(nèi)。此外，如果基于主要芯片供應(yīng)商提供的現(xiàn)成 PoE 加低功耗藍(lán)牙評(píng)估套件和固件示例進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，開發(fā)過程就會(huì)更輕松。 來源：Digi-Key |
