智能照明將高效、長壽命的 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簡單，但對現(xiàn)有建筑進行改造卻很復(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的照明技術(shù)。
一種高性價比的簡單替代方案是在現(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，該方案的缺點是以太網(wǎng)不太適合智能照明的連接，因為它本是設(shè)計用于計算機之間頻繁、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) 藍牙連接相結(jié)合，通過智能手機進行無線配置和控制。這種短距離射頻標準已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能照明，而且關(guān)鍵是，可以與智能手機互操作。這種互操作性確保可以通過手機上的應(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，并說明了設(shè)計人員可以如何實施 PoE LED 照明解決方案。然后，本文借鑒來自 Maxim Integrated、STMicroelectronics 和 ON Semiconductor 的 PoE 加低功耗藍牙參考設(shè)計和評估套件，介紹了如何利用低功耗藍牙實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無線配置和控制。
PoE 簡介
最初的 PoE 技術(shù)（IEEE 802.3af“1 類”）為每臺設(shè)備提供標稱 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)線進行電力傳輸（方案 B）；也可以向每對絞線施加共模電壓，通過電纜的數(shù)據(jù)線進行電力傳輸，由于以太網(wǎng)通過差分信號傳輸數(shù)據(jù)，因此不會受到干擾（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 標準提供了 PSE 與 PD 之間的信令，讓 PSE 能夠檢測到符合要求的設(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 的阻性負載和 120 nF 的并聯(lián)電容器。檢測到 PD 后，PSE 和 PD 就會“協(xié)商”所需或可用的功率。
隨著越來越多的設(shè)備需要比最初標準的 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 25.5 W 的標稱功率。PoE+ 電流從最初標準的 350 mA 增加到 600 mA。（有關(guān) PoE 和 PoE+ 的更多信息，請參見 Digi-Key 技術(shù)文章《以太網(wǎng)供電簡介》。）更新的版本 IEEE 802.3bt“3 類”和“4 類”分別提供 60 W 和 90 W 的標稱功率，以及 600 mA 和 960 mA 的電流。
實施中跨 PoE 設(shè)計
PSE 可以作為端跨（通過交換機/集線器），也可以作為中跨。端跨 PSE 通常位于以太網(wǎng)交換機內(nèi)，而中跨 PSE 是位于普通以太網(wǎng)交換機與 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 的新型號來替換現(xiàn)有的以太網(wǎng)交換機，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 負輸出 (V-) 連接導(dǎo)線 7 和 8。在這種配置中，兩對電源線與兩對原始信號線分離，原始信號線并未通過 PoE 中跨供電器連接。這種實施類型如下圖所示，使用 Maxim Integrated 的 MAX5969 單通道 PD 控制器和 MAX5980 四通道 PSE 控制器進行配置（圖 1）。
圖 1：PoE 中跨實施方案，通過以太網(wǎng) Cat5 電纜中先前未使用的電源線進行電力傳輸。(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行：PD 檢測、PD 分類、標記事件，以及 PD 電源。當(dāng)輸入電壓介于 1.4 至 10.1 V 之間時，該器件進入 PD 檢測模式；當(dāng)輸入電壓介于 12.6 至 20 V 之間時，器件進入 PD 分類模式。一旦輸入電壓超過 VON (35.4 V)，該器件則會進入 PD 電源模式。
MAX5980 四通道 PSE 控制器設(shè)計用于 IEEE 802.3af/at PoE PSE 的實施。該器件提供 PD 發(fā)現(xiàn)、分類、限流和負載斷開檢測功能，并具有四種工作模式：
自動模式允許器件以默認設(shè)置自動運行，無需任何軟件
半自動模式能自動檢測連接至端口的設(shè)備并對其進行分類，但在軟件指示之前不為端口供電
手動模式允許對器件進行完全的軟件控制，該模式對系統(tǒng)診斷非常有用
關(guān)斷模式將終止所有活動，使端口安全斷電
Maxim 提供了 MAX5980EVKIT 評估套件 (EK)，用于 MAX5980 的開發(fā)工作。該評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 N 溝道功率 MOSFET，可用作 -48 V 或 -54 V 電源。該評估套件為四個以太網(wǎng)輸出端口分別配置了單獨的獨立電源通道，并允許工程師對每個通道執(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（每個端口最多可編程為 30 W），還可以通過 I2C 接口、PD 檢測、PD 分類、過流和欠壓/過壓保護、折返式電流和直流斷開檢測等，收集端口電流信息來進行試驗。
配置可通過兼容 PC 的軟件完成，并可對各個寄存器進行位級訪問（圖 2）。
圖 2：MAX5980 評估套件包括兼容 PC 的軟件，可對 PSE 控制器監(jiān)控的四個端口進行簡單配置。(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)動器。該 LED 驅(qū)動器可調(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)計的 LED 驅(qū)動器的一個典型例子是 Maxim Integrated 的 MAX16832。該器件是一款降壓恒流高亮度 LED 驅(qū)動器，電壓輸入范圍為 6.5 至 65 V，提供高達 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 5 個串聯(lián)的 LED 時，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)動器應(yīng)用電路。該驅(qū)動器適用于 PoE LED 照明應(yīng)用。(圖片源：Maxim Integrated)
將基于 PoE 的 LED 照明與低功耗藍牙相結(jié)合
LED 可以精確調(diào)光、即時開啟或關(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)進行智能照明連接可以實現(xiàn)但很復(fù)雜，因為以太網(wǎng)本是設(shè)計用于計算機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，低功耗藍牙非常適合智能照明連接的要求。主要優(yōu)勢包括：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)、與智能手機的互操作性（無需額外的用戶界面即可進行配置和控制），以及支持即時控制特定燈或燈組的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。（有關(guān)藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的更多設(shè)計信息，請參見 Digi-Key 技術(shù)文章《使用藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計低功耗藍牙智能應(yīng)用》。）
將低功耗藍牙添加至 PoE LED 燈中并非易事（有關(guān)采用低功耗藍牙設(shè)計的更多信息，請參見 Digi-Key 技術(shù)文章《低功耗藍牙模塊物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用》），但由于其帶來的明顯優(yōu)勢，這是一項值得去做的工作。此外，利用芯片供應(yīng)商的參考設(shè)計和評估套件，開發(fā)基于 PoE 的無線連接智能燈具原型設(shè)計會變得更加簡單。
一個例子是 STMicroelectronics 具有低功耗藍牙連接的 PoE 參考設(shè)計 val-POEL45W1/9758946?s=N4IgTCBcDaICwE4DsBaAjADgMyJAXQF8g">STeval–POEL45W1。該參考設(shè)計基于該公司符合 IEEE802.3bt 標準的 PM8805 PD PoE 接口、能夠提供高達 3 A 電流的 LED 驅(qū)動器和低功耗藍牙模塊。該參考設(shè)計提供 45 W 的功率輸出。
隨參考設(shè)計提供的固件 (STSW-POEL45FW) 可與 PoE 照明 Android 應(yīng)用進行通信，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)動器的開/關(guān)模式和調(diào)光。此外，設(shè)計人員還可以自由開發(fā)應(yīng)用軟件，以增強 LED 的無線配置和控制，并可使用該公司的 ink.html" target="_blank">STSW-BNRG1STlink 實用工具，對低功耗藍牙芯片進行編程。
ON Semiconductor 提供的產(chǎn)品是 LIGHTING-1-GEVK 互聯(lián)照明平臺。該產(chǎn)品包含多個插入式評估板（支持雙 LED 驅(qū)動器、LED 照明和低功耗藍牙功能），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。默認電源是一個 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，但該公司也提供了 PoE 電源 ink:lightningpowerpoegevb">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，可將 LED 燈具轉(zhuǎn)換為符合 IEEE 802.3af/at/bt 標準的 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 標準的 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，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 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)動器連接至電源輸出端，將 LED 連接至驅(qū)動器輸出端，并將低功耗藍牙連接模塊連接至 LED 驅(qū)動器上的連接器，即可實現(xiàn)基于 PoE 的完整無線連接硬件系統(tǒng)。
該互聯(lián)照明平臺的固件開發(fā)是通過該公司的藍牙 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) 中運行的設(shè)計工具。固件在 FreeRTOS 上運行，F(xiàn)reeRTOS 是 CMSIS SDK 中包含的實時操作系統(tǒng)。安裝到 IDE 上后，設(shè)計人員即可使用該 SDK 試驗以下低功耗藍牙服務(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)。
遙測服務(wù)：將平臺測量的變量提供給連接的設(shè)備。這些變量包括每個 LED 驅(qū)動器的電流和系統(tǒng)電壓。
PoE 功率輸送服務(wù)：允許對等設(shè)備檢索有關(guān) PoE 對設(shè)備施加的功率限制的信息，該限制經(jīng)由 PoE 供電器與平臺協(xié)商得到。
藍牙 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)照明平臺的低功耗藍牙芯片上（圖 5）。
圖 5：ON Semiconductor 的藍牙 CMSIS SDK 包含用于該公司的互聯(lián)照明平臺的照明樣例應(yīng)用程序。（圖片來源：ON Semiconductor）
除此之外，該互聯(lián)照明平臺還附帶關(guān)聯(lián)的智能手機應(yīng)用，即 RSL10 Sense and Control 應(yīng)用，同時兼容 iOS 和 Android 智能手機。下載到智能手機后，該應(yīng)用即會提示開發(fā)者將其與互聯(lián)照明平臺配對。然后，開發(fā)人員可以使用該應(yīng)用：
顯示測量的 LED 通道電流和系統(tǒng)電壓遙測數(shù)據(jù)
獨立設(shè)置每個 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、長壽命的 LED 與無線連接的便利性相結(jié)合。有一種高性價比的簡單替代方案可以升級現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，即在商業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中實施 PoE 來為 LED 燈供電，并添加低功耗藍牙連接，以便通過智能手機實現(xiàn)照明的無線配置和控制。
雖然設(shè)計基于 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)動器和低功耗藍牙，在設(shè)計時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 加低功耗藍牙評估套件和固件示例進行原型設(shè)計，開發(fā)過程就會更輕松。
