用以太網(wǎng)絡(luò)供電的室內(nèi)定位系統(tǒng)

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(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵增長(zhǎng)動(dòng)力。將其與可見(jiàn)光通訊（VLC）的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，可以開(kāi)發(fā)出極安全、高性能的室內(nèi)定位系統(tǒng)，在特定應(yīng)用領(lǐng)域可提供比基于射頻的解決方案更好的性能。

PoE標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3xx）
制定PoE標(biāo)準(zhǔn)是為了讓低功耗的外部設(shè)備從中央集線器獲得電力，消除在建筑物內(nèi)運(yùn)行主電源涉及的復(fù)雜性、成本和符合相關(guān)規(guī)范的問(wèn)題。與許多標(biāo)準(zhǔn)一樣，IEEE 802.3xx PoE標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3af）于2003年制定，為IP電話、接入點(diǎn)和傳感器等設(shè)備提供15.4W的功率。實(shí)際上，由于電纜損耗，每個(gè)外部設(shè)備的可用功率在13.0W左右。該標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)版本（IEEE 802.3at），被稱為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(fù)雜的設(shè)備供電，并為平板計(jì)算機(jī)等小型設(shè)備充電。
雖然其他兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仍然有效，但目前的PoE標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3bt。該標(biāo)準(zhǔn)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(dá)60 W，后者在使用時(shí)可提供達(dá)90W。

 

圖一 : 不斷演進(jìn)的PoE標(biāo)準(zhǔn)概覽

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

PoE照明系統(tǒng)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總線電壓在設(shè)計(jì)上保持在60伏直流安全開(kāi)關(guān)值以下，因此系統(tǒng)避免了交流電源電壓的危險(xiǎn)性，如觸電和火災(zāi)。唯一需要的硬接布線是在燈具上?一條用于供電和數(shù)據(jù)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(fù)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(tǒng)的控制端可透過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，因而提供更廣泛的控制選項(xiàng)。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(zhuǎn)向超薄的能量采集無(wú)線設(shè)計(jì)，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(tǒng)
但這不是一項(xiàng)新技術(shù)，它可追溯到19世紀(jì)80年代的亞歷山大-格雷厄姆-貝爾開(kāi)發(fā)的光電電話，能以可見(jiàn)光為媒介傳輸數(shù)據(jù)流的能力正引起人們的關(guān)注?特別是在室內(nèi)應(yīng)用。VLC的一個(gè)明顯的應(yīng)用是基于光的網(wǎng)絡(luò)（Li-Fi），極其適用于有爆炸風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)區(qū)域或敏感設(shè)備可能受到射頻無(wú)線干擾的區(qū)域，如醫(yī)院或飛機(jī)上。


 
圖二 : 可見(jiàn)光通訊（VLC）

另一個(gè)不太明顯的應(yīng)用是將光用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以引導(dǎo)無(wú)人搬運(yùn)車(chē)（AGV）在倉(cāng)庫(kù)或智慧工廠中行駛，或協(xié)助人們?cè)跈C(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館或醫(yī)院等大型建筑中導(dǎo)航。這種定位也帶來(lái)了商業(yè)機(jī)會(huì)，如定位營(yíng)銷(xiāo)?將消費(fèi)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(tǒng)解決了GPS在室內(nèi)情景下的許多問(wèn)題。GPS信號(hào)未必能很好地穿透建筑物，如果它穿透了，那么當(dāng)它從墻上反彈時(shí)，多徑傳播將導(dǎo)致系統(tǒng)的不準(zhǔn)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(dú)特的代碼，透過(guò)以人眼無(wú)法察覺(jué)的頻率調(diào)制光線來(lái)廣播。智能手機(jī)或其他配備有攝影鏡頭和應(yīng)用程序的類(lèi)似設(shè)備能夠?qū)θ齻€(gè)或更多燈具的距離進(jìn)行三角測(cè)量，并計(jì)算出位置，準(zhǔn)確度高達(dá)30公分。

設(shè)計(jì)基于PoE的VLC系統(tǒng)
能效和小尺寸是設(shè)計(jì)基于PoE的VLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，同時(shí)還需要快速向市場(chǎng)交付設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)過(guò)程。

 
圖三 : 基于PoE的智能照明系統(tǒng)

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(biāo)準(zhǔn)。它們包含一個(gè)PoE系統(tǒng)的所有功能，包括檢測(cè)、分類(lèi)和涌浪電流限制。NCP1095和NCP1096都支持高達(dá)90 W的應(yīng)用，并整合了過(guò)電流和過(guò)熱保護(hù)，從而保護(hù)了設(shè)備和照明負(fù)載。NCP1095采用一個(gè)外部通晶體管以提高設(shè)計(jì)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(tǒng)所需的所有元素。該器件的關(guān)鍵在于97%能效的降壓LED驅(qū)動(dòng)器，支持高帶寬模擬調(diào)光和PWM調(diào)光至零電流。該器件具有內(nèi)建的DC/DC轉(zhuǎn)換器，為系統(tǒng)MCU和傳感器等外部設(shè)備供電，無(wú)需分離式的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，節(jié)省了空間和元器件成本。
NCL31000的0.1%的調(diào)光精準(zhǔn)度和高線性使其適用于VLC應(yīng)用，包括基于光的定位。一個(gè)提升的、穩(wěn)定的基準(zhǔn)允許真正的調(diào)光到零的LED電流，并消除了所有鬼影的風(fēng)險(xiǎn)。全面的診斷，包括電流、電壓和溫度，都被準(zhǔn)確測(cè)量，并透過(guò)I2C /SPI接口提供給系統(tǒng)MCU。

總結(jié)
LED技術(shù)帶來(lái)低功耗智能照明，PoE標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)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(xiàn)在有可能創(chuàng)建精密的照明系統(tǒng)，而不需要大量（和昂貴的）電源布線。
雖然這些系統(tǒng)可在任何地方使用，但它們?cè)谖ｋU(xiǎn)區(qū)域，如礦井和石油/天然氣平臺(tái)、高濕度環(huán)境以及靠近敏感設(shè)備的地方，如醫(yī)院或飛機(jī)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(qū)動(dòng)器，提供成熟、高效和全整合的方案，減少設(shè)計(jì)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）