VLC eli näkyvän valon tietoliikenne (Visible light communication) on tekniikka, joka tarjoaa tietyissä sovelluksissa merkittäviä etuja yleisemmin käytettyihin radiotaajuisiin eli RF-linkkeihin verrattuna. Sen lisäksi, että VLC:llä voidaan siirtää dataa pisteestä toiseen, se herättää paljon kiinnostusta kyvyllään tarjota erittäin tarkkoja ja turvallisia sisäpaikannusjärjestelmiä.

VLC-järjestelmän käyttöönotto asettaa tiettyjä järjestelmäintegraatioon ja virranhallintaan liittyviä haasteita erityisesti niille, jotka eivät ole perehtyneet tekniikkaan. Tässä artikkelissa tarkastellaan joitain VLC:n sovelluksia, mukaan lukien VLC-paikannusjärjestelmien taustalla olevat periaatteet, ja esitellään uusia laitteita, joilla voidaan suunnitella ratkaisuja riskittömästi.

VLC: Yleiskuvaus ja vertailu RF-yhteyksiin

Valaistuksen merkitys on kasvanut merkittävästi ledien kehityksen myötä, jotka ovat ohittaneet hehkulamppujen valonlähteet luotettavuudeltaan, virrankulutukseltaan ja valotehokkuudeltaan.

Ajatus valon käyttämisestä datansiirrossa ei kuitenkaan ole uusi, ja se voidaan jäljittää Ranskaan vuonna 1792, jolloin torniin asennetut semaforit mahdollistivat valopohjaisen viestinnän kaupunkien välillä. 1800-luvun alussa Yhdysvaltain armeija kehitti "heliograafin”, joka käytti peilejä heijastamaan auringonvaloa katkaisemalla valon tai kääntämällä peiliä. Vuonna 1880 puhelimen keksijä Alexander Graham Bell loi valopuhelimensa, joka lähetti äänisignaaleja näkyvän valonsäteen kautta.

Nykyaikaiset VLC-järjestelmät käyttävät näkyvää valoa 380-750 nanometrin alueella (430-790 THz). Moduloimalla valoa olemassa olevista valaisimista voidaan kommunikoida ilman RF-tekniikan rajoituksia.

Kuva 1. VLC-järjestelmät käyttävät tyypillisesti spektrin näkyvän valon osaa.

Nykymaailmassa radiotaajuutta käyttävän mobiilidatan dramaattinen lisääntyminen tarkoittaa erittäin ruuhkaisia spektrejä, joissa ruuhkaisuus voi aiheuttaa häiriöitä. VLC:tä käytetään tyypillisesti sisätiloissa, joissa suurin mahdollinen häiriölähde eli aurinko ”loistaa” poissaolollaan. Näkyvä valo on myös luonnostaan lisensoimaton lähetyskaista, mikä poistaa lisenssihakemusten tarpeen. Se ei myöskään kilpaile läheisten järjestelmien kanssa samasta taajuuden osasta. Turvallisuuden näkökulmasta RF tunkeutuu helposti seinien läpi, joten signaalit voidaan siepata helposti. Lisäksi suurilla tehotasoilla pitkäaikainen altistuminen RF-aalloille voi olla haitallista ihmisten terveydelle. Pienten siirtonopeuksien VLC-järjestelmissä, kuten sisätilapaikannuksessa, ei tarvita ylimääräistä tehovahvistinta ja signaalinkäsittelyä, mikä säästää järjestelmän tehonkulutuksessa ja vähentää suunnittelun monimutkaisuutta.

VLC:lle on useita mahdollisia sovelluksia, mukaan lukien valopohjainen langaton viestintä, ajoneuvojen välinen (V2V) viestintä ja vedenalainen käyttö. VLC on erityisen kiinnostava tietyissä erikoissovelluksissa, joissa perinteiset RF-signaalit muodostavat vaaran, kuten kaivosteollisuudessa tai öljy- ja kaasunporauslautoilla. Se mahdollistaa myös häiriöttömän viestinnän herkkien laitteiden lähellä, kuten sairaaloissa ja lentokoneissa.

VLC-pohjainen paikannus

Sisätilapaikannukseen on tarjolla monia sovelluksia. Teollisissa sovelluksissa sitä voidaan käyttää ohjaamaan automaattisesti ohjattuja ajoneuvoja (AGV) tehtaiden ja varastojen alueella tai sallimaan ihmisten navigointi suurissa julkisissa rakennuksissa, kuten lentokentillä, sairaaloissa tai urheilustadioneilla.

Vaikka GPS-paikannusjärjestelmä on erittäin tehokas järjestelmä ulkona, se ei sovellu tarkkaan sisäkäyttöön. Signaaleilla on vaikeuksia tunkeutua moniin rakennuksiin, ja jos tunkeutuvat, monitie-eteneminen signaalien kimmotessa seinistä ja esineistä rajoittaa merkittävästi suorituskykyä. VLC pystyy saavuttamaan kymmenien senttimetrien paikannustarkkuuden sisätiloissa, mikä ylittää helposti RF-pohjaisten ratkaisujen tarkkuuden.

Valopohjaisissa paikannusjärjestelmissä käytetään olemassa olevia valaistusjärjestelmiä paikannusjärjestelmän luomiseksi sisätiloihin. Jokaisella lediliitäntälaitteella on yksilöllinen tunniste, joka on koodattu valaisinta ohjaavaan signaaliin siten, että valo moduloidaan, joten sen tunniste lähetetään jatkuvasti eteenpäin. Ihmisen näkökyvyn takia nämä nopeat impulssit ovat huomaamattomia, mutta laitteet kuten älypuhelimet, voivat siepata ja havaita ne.

Kun puhelin on usean (kolmen tai useamman) valaisimen kantaman sisällä, joista jokaisella on yksilöllinen koodi, yksinkertainen kolmiomittausalgoritmi voi laskea etäisyyden jokaiseen valaisimeen ja päätellä sijainnin tämän perusteella.

Kuva 2. VLC, näkyvän valon tietoliikenne.

VLC:tä tukeva teknologia

VLC-käytön alueella tehokkuus ja kompakti koko ovat kaksi haastetta, jotka tulevat eteen kaikille suunnittelijoille. Myös kokeneille valaisinten suunnittelijoille. Tukeakseen suunnittelijoita onsemi tarjoaa laitteita ja komponentteja, jotka lisäävät älykkäiden valaistusjärjestelmien, kuten tässä artikkelissa kuvattujen VLC-järjestelmien, integrointia ja suorituskykyä.

Kuva 3. VLC-sovelluksen lohkokaavio.

Onsemin lediohjain NCL31000 on suunniteltu erityisesti ledipohjaisiin valaisinsovelluksiin. Se sisältää kaikki tehokkaan ledivalaistusjärjestelmän toteuttamiseen tarvittavat elementit.

Kuva 4: Onsemin tehokas lediohjain NCL31000.

Järjestelmän keskeinen osa on hyötysuhteeltaan erittäin tehokas (97 %) lediajuri, joka tukee suuren kaistanleveyden analogista himmennystä ja PWM-himmennystä nollavirtaan. NCL31000 sisältää integroidun 3V3 kiinteän DC-DC-muuntimen ja säädettävän DC-DC-muuntimen (2V5 > 24V), jotka sopivat anturilaitteiden tai muiden järjestelmän komponenttien virransyöttöön. Tämä yksinkertaistaa järjestelmän suunnittelua ja vähentää suunnittelun riskiä samalla kun yleinen energiatehokkuus tehostuu. NCL31000:n arkkitehtuuri tarjoaa erinomaisen EMI-suorituskyvyn, sillä se ylittää standardin CISPR15 / EN55015 vaatimukset >14 dB:llä.

Tarkka lineaarinen himmennys mahdollistaa näkyvän valon viestinnän, mikä mahdollistaa sisävalaistukseen perustuvien paikannusjärjestelmien kehittämisen, kun taas kyky himmentää todelliseen pimeään 0,1 prosentin tarkkuudella varmistaa, ettei haamuvaloa ole pienimmälläkään himmennysasetuksella.

Kattava diagnostiikka saadaan suoraan AD-muuntimesta, joka seuraa järjestelmän virtoja ja jännitteitä. Tulo- ja lähtövirtojen ja jännitteiden mittaaminen suurella tarkkuudella (±1 %) mahdollistaa energiatehokkuuden ja ledikuormituksen kunnon seurannan. Diagnostiikka sisältää sekä DC/DC-muuntimet että ledilämpötilan. Kaikki tiedot toimitetaan ulkoiselle mikro-ohjaimelle I2C/SPI-liitännän kautta.

NCL31000:n riisutussa versiossa (NCL31001) on jätetty pois DC-DC-muuntimet, joita ei tarvita moninauhaisissa valaistusratkaisuissa. Tätä voidaan käyttää kustannustehokkaana kumppanina NCL31000-ohjaimelle tämäntyyppisissä sovelluksissa.

Yhteenveto

Älykäs verkkoon liitetty valaistus on merkittävä kasvualue, jota vähävirtaisten ledien saatavuus vauhdittaa. Vaikka pitkä käyttöikä ja pieni tehonkulutus ovat kaksi keskeistä tekijää tämän menestyksen takana, nykyaikaisen älykkään valaistuksen tarjoama joustavuus antaa mahdollisuuksia kehittää innovatiivisia uusia sovelluksia.

Vaikka kyse ei ole uudesta ideasta, kyky siirtää dataa valon välityksellä on vihdoin tulossa kypsymässä tekniikkana ja kasvattamassa suosiotaan, koska se on energiatehokas, vankka, turvallinen, turvallinen ja ilman RF-laitteisiin liittyviä monia ongelmia. Tämä puolestaan mahdollistaa kehittyneemmät sovellukset, kuten sisäpaikannusjärjestelmät. Koska ne perustuvat valoon, niitä voidaan käyttää kaikkialla. Myös paikoissa, joissa RF-laitteet on estetty, kuten sairaaloissa ja kaivostoiminnassa.

Kattavan yhdistetyn valaistuksen ratkaisuvalikoiman lisäksi onsemin edistynyt NCL31000-ohjainratkaisu avaa uusia markkinoita näkyvän valon tietoliikenteen suunnittelijoille tarjoamalla erittäin tehokkaan ja täysin integroidun ratkaisun, joka auttaa saamaan tuotteet markkinoille nopeammin. NCL31000 on ihanteellinen myös useilla muilla alueilla, kuten ammattinäyttöjen taustavalaisussa, kasvihuoneiden monikanavaisen valaistuksen hallinnassa ja muissa verkkoon kytketyissä valaistussovelluksissa kasvihuoneissa ja muussa sisä- ja ulkokäytössä.