用以太網(wǎng)絡(luò )供電的室內定位系統

以太網(wǎng)絡(luò )供電（PoE）能夠以安全和高效的方式提供超過(guò)90瓦的電力，它一直是聯(lián)網(wǎng)照明系統的一個(gè)關(guān)鍵增長(cháng)動(dòng)力。將其與可見(jiàn)光通訊（VLC）的優(yōu)勢相結合，可以開(kāi)發(fā)出極安全、高性能的室內定位系統，在特定應用領(lǐng)域可提供比基于射頻的解決方案更好的性能。

PoE標準（IEEE 802.3xx）
制定PoE標準是為了讓低功耗的外部設備從中央集線(xiàn)器獲得電力，消除在建筑物內運行主電源涉及的復雜性、成本和符合相關(guān)規范的問(wèn)題。與許多標準一樣，IEEE 802.3xx PoE標準經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，每次更新都能提供更多的功能和功率。
首個(gè)標準（IEEE 802.3af）于2003年制定，為IP電話(huà)、接入點(diǎn)和傳感器等設備提供15.4W的功率。實(shí)際上，由于電纜損耗，每個(gè)外部設備的可用功率在13.0W左右。該標準的下一個(gè)版本（IEEE 802.3at），被稱(chēng)為PoE+，提供了30 W的電力，若考慮到損耗，則電力降低到25 W。這支持更復雜的設備供電，并為平板計算機等小型設備充電。
雖然其他兩個(gè)標準仍然有效，但目前的PoE標準是IEEE 802.3bt。該標準于2018年制定，分為T(mén)ype 3（PoE++）和4型（更高功率的PoE），前者每埠可提供達60 W，后者在使用時(shí)可提供達90W。

 

圖一 : 不斷演進(jìn)的PoE標準概覽

雖然Type 802.3bt適用于筆記本電腦等設備，但隨著(zhù)LED照明的出現，它透過(guò)PoE也提供了為中大型智能照明系統供電的可能性。

PoE照明系統和可見(jiàn)光通訊
PoE照明有很多優(yōu)點(diǎn)；其中兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是安全和靈活性。由于PoE總線(xiàn)電壓在設計上保持在60伏直流安全開(kāi)關(guān)值以下，因此系統避免了交流電源電壓的危險性，如觸電和火災。唯一需要的硬接布線(xiàn)是在燈具上?一條用于供電和數據的CAT 5以太網(wǎng)絡(luò )電纜。這無(wú)需啟動(dòng)主電源，降低成本/復雜性，包括主電源到墻壁開(kāi)關(guān)。

由于以太網(wǎng)絡(luò )的連接，照明系統的控制端可透過(guò)本地網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設置，因而提供更廣泛的控制選項。傳感器可以提供關(guān)于房間占用情況的回饋，以改善電力使用，以及整合溫度和空氣質(zhì)量控制。壁式開(kāi)關(guān)可以轉向超薄的能量采集無(wú)線(xiàn)設計，省去電池或電源連接，從而輕松快速地重新布署建筑中的空間。

基于VLC的定位系統
但這不是一項新技術(shù)，它可追溯到19世紀80年代的亞歷山大-格雷厄姆-貝爾開(kāi)發(fā)的光電電話(huà)，能以可見(jiàn)光為媒介傳輸數據流的能力正引起人們的關(guān)注?特別是在室內應用。VLC的一個(gè)明顯的應用是基于光的網(wǎng)絡(luò )（Li-Fi），極其適用于有爆炸風(fēng)險的危險區域或敏感設備可能受到射頻無(wú)線(xiàn)干擾的區域，如醫院或飛機上。


 
圖二 : 可見(jiàn)光通訊（VLC）

另一個(gè)不太明顯的應用是將光用于室內定位系統，該系統可以引導無(wú)人搬運車(chē)（AGV）在倉庫或智慧工廠(chǎng)中行駛，或協(xié)助人們在機場(chǎng)、體育場(chǎng)館或醫院等大型建筑中導航。這種定位也帶來(lái)了商業(yè)機會(huì )，如定位營(yíng)銷(xiāo)?將消費者的注意力吸引到可能就在他們旁邊的特別優(yōu)惠上。
基于VLC的定位系統解決了GPS在室內情景下的許多問(wèn)題。GPS信號未必能很好地穿透建筑物，如果它穿透了，那么當它從墻上反彈時(shí)，多徑傳播將導致系統的不準確。
VLC定位的操作有點(diǎn)類(lèi)似于GPS。每個(gè)燈具都有自己獨特的代碼，透過(guò)以人眼無(wú)法察覺(jué)的頻率調制光線(xiàn)來(lái)廣播。智能手機或其他配備有攝影鏡頭和應用程序的類(lèi)似設備能夠對三個(gè)或更多燈具的距離進(jìn)行三角測量，并計算出位置，準確度高達30公分。

設計基于PoE的VLC系統
能效和小尺寸是設計基于PoE的VLC系統的設計人員面臨的兩個(gè)主要挑戰，同時(shí)還需要快速向市場(chǎng)交付設計。藉由基于PoE的智能照明方案，將幾個(gè)高度整合的器件整合到一個(gè)緊湊的組件封裝中，能夠大幅簡(jiǎn)化設計過(guò)程。

 
圖三 : 基于PoE的智能照明系統

NCP1095和NCP1096是PoE-PD接口控制器，確保照明方案符合IEEE 802.3af/at和802.3bt標準。它們包含一個(gè)PoE系統的所有功能，包括檢測、分類(lèi)和涌浪電流限制。NCP1095和NCP1096都支持高達90 W的應用，并整合了過(guò)電流和過(guò)熱保護，從而保護了設備和照明負載。NCP1095采用一個(gè)外部通晶體管以提高設計的靈活性，而NCP1096則是個(gè)全整合方案。
除了接口控制器，安森美還提供NCL31000先進(jìn)的光引擎，包括高能效和智能照明系統所需的所有元素。該器件的關(guān)鍵在于97%能效的降壓LED驅動(dòng)器，支持高帶寬模擬調光和PWM調光至零電流。該器件具有內建的DC/DC轉換器，為系統MCU和傳感器等外部設備供電，無(wú)需分離式的DC-DC轉換器。這簡(jiǎn)化了設計，節省了空間和元器件成本。
NCL31000的0.1%的調光精準度和高線(xiàn)性使其適用于VLC應用，包括基于光的定位。一個(gè)提升的、穩定的基準允許真正的調光到零的LED電流，并消除了所有鬼影的風(fēng)險。全面的診斷，包括電流、電壓和溫度，都被準確測量，并透過(guò)I2C /SPI接口提供給系統MCU。

總結
LED技術(shù)帶來(lái)低功耗智能照明，PoE標準持續發(fā)展，在使用時(shí)可提供90瓦的功率，兩種技術(shù)的融合使得現在有可能創(chuàng )建精密的照明系統，而不需要大量（和昂貴的）電源布線(xiàn)。
雖然這些系統可在任何地方使用，但它們在危險區域，如礦井和石油/天然氣平臺、高濕度環(huán)境以及靠近敏感設備的地方，如醫院或飛機上，特別有價(jià)值。
安森美的NCP1095和NCP1096 PoE-PD接口控制器及NCL31000先進(jìn)的光引擎，利用高效電源方案和LED驅動(dòng)器，提供成熟、高效和全整合的方案，減少設計任務(wù)，幫助照明方案更快地進(jìn)入市場(chǎng)。
（本文作者M(jìn)ike Sandyck為安森美產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）