Power-over-Ethernet (PoE) pystyy toimittamaan yli 90 wattia tehoa turvallisesti ja tehokkaasti, joten se on ollut avainasemassa verkkoon liitettyjen valaistusjärjestelmien kasvussa. Kun tämä yhdistetään näkyvän valon datansiirron eli VLC-tekniikan etuihin, voidaan kehittää erittäin turvallisia ja tehokkaita sisäpaikannusjärjestelmiä, jotka voivat tarjota paremman suorituskyvyn kuin RF-pohjaiset ratkaisut tietyillä sovellusalueilla.

Tässä artikkelissa tarkastellaan, kuinka PoE on kehittynyt toimivaksi ratkaisuksi teollisuusvalaistukseen, ja pohditaan, kuinka VLC-tekniikkaa voidaan lisätä järjestelmään paikannuksen mahdollistamiseksi.

PoE-standardi (IEEE 802.3xx)

PoE-standardi kehitettiin mahdollistamaan vähätehoisten oheislaitteiden virransyöttö keskusyksiköstä. Tämä poistaa yhteensopivuusongelmat, jotka liittyvät verkkovirran käyttämiseen ympäri rakennusta, ja alentaa kustannuksia. Kuten monet standardit, IEEE 802.3xx PoE -standardi on kehittynyt vuosien varrella ja tarjoaa enemmän toimintoja ja tehoa jokaisen uuden version myötä.

Ensimmäinen standardi (IEEE 802.3af) julkaistiin vuonna 2003, ja se tarjosi 15,4 W tehoa laitteille, kuten IP-puhelimille, tukiasemille ja antureille. Käytännössä kaapelihäviöiden vuoksi käytettävissä oleva teho kullekin oheislaitteelle oli noin 13,0 W. Standardin seuraava versio (IEEE 802.3at), joka tunnetaan myös nimellä PoE+, kasvatti kapasiteetin 30 wattiin, mikä tarkoitti häviöiden jälkeen 25 watin sähkötehoa. Tämä mahdollisti monimutkaisempien laitteiden virran kytkemisen ja pienempien laitteiden, kuten tablettien, lataamisen.

Vaikka kaksi muuta standardia ovat edelleen hengissä, nykyinen PoE-standardi on IEEE 802.3bt vuodelta 2018. Se on jaettu tyyppiin 3 (PoE++), joka voi tuottaa jopa 60 W porttia kohden, ja tyyppiin 4 (Higher Power PoE), joka voi tuottaa jopa 90 W käyttöpisteessä.

Kuva 1: Kehittyvien PoE-standardien yleiskuvaus.

Vaikka tyypin 4 kapasiteetti oli 802.3bt-standardissa tarkoitettu kannettaville laitteille, LED-valaistuksen myötä se tarjosi myös mahdollisuuden syöttää virtaa keskikokoisille ja suurille älykkäille valaistusjärjestelmille PoE:n kautta.

PoE-valaistusjärjestelmät ja näkyvän valon tietoliikenne

PoE-valaistuksella on monia etuja. Kaksi tärkeintä ovat turvallisuus ja joustavuus. Koska PoE-väylän jännite pysyy aina 60 voltin DC-turvakynnyksen alapuolella, AC-verkkojännitteen vaaroja, kuten sähköiskuja tai tulipalon vaaraa ei ole. Ainoa johdotus tarvitaan valaisimiin: yksi CAT 5 Ethernet -kaapeli virtaa ja dataa varten. Tämä poistaa tarpeen käyttää verkkovirtaa ja seinään asennettuja kytkimiä, mikä alentaa kustannuksia ja tekee järjestelmästä yksinkertaisemman.

Ethernet-liitännän ansiosta valaistusjärjestelmän ohjaus voidaan tehdä paikallisverkon kautta, mikä tarjoaa paljon laajemmat mahdollisuuksia ohjaukseen. Anturit voivat antaa palautetta huoneen käyttöasteesta tehonkäytön parantamiseksi sekä lämpötilan ja ilmanlaadun hallinnan integroimiseksi. Seinäkytkimissä voidaan siirtyä ohueen, energiaa keräävään langattomaan suunnitteluun, jolloin vältytään paristojen tai virtaliitäntöjen tarpeelta. Tämä mahdollistaa rakennuksen tilojen helpon ja nopean konfiguroinnin.

VLC-pohjainen paikannus

Datan lähettäminen näkyvän valon avulla ei ole mikään uusi tekniikka. Sew voidaan jäljittää 1880-luvulle, jolloin Alexander Graham Bell kehitti valokuvapuhelimensa. Tekniikka on kuitenkin nyt saamassa kiinnostusta erityisesti sisätiloissa. Ilmeinen sovellus VLC:lle on valopohjainen verkko (Li-Fi), joka on erityisen hyödyllinen sellaisilla alueilla, joilla on räjähdysvaara tai alueilla, joilla herkät laitteet voivat kärsiä RF-pohjaisen langattoman verkon häiriöistä, kuten sairaalassa tai lentokoneessa.

Toinen, vähemmän ilmeinen sovellus on käyttää valoa sisäpaikannusjärjestelmissä, jotka voivat ohjata automaattisen ohjatun ajoneuvon (AGV) ympäri varastoa tai älykästä tehdasta tai auttaa ihmisiä navigoimaan suurissa rakennuksissa, kuten lentokentillä, urheilustadioneilla tai sairaaloissa. Tällainen sijaintitieto synnyttää myös liiketoimintamahdollisuuksia, kuten sijaintiin perustuvaa markkinointia: kuluttajan huomio voidaan vaikkapa kauppakeskuksessa kiinnittää erikoistarjoukseen viereiseesä liikkeessä.

VLC-pohjaiset paikannusjärjestelmät korjaavat monia GPS-paikannuksen ongelmia sisätiloissa. GPS-signaali ei välttämättä tunkeudu rakennukseen kovin hyvin, ja jos se läpäiseekin seinät, niin seinistä pomppiessaan monitie-eteneminen johtaa epätarkkuuksiin järjestelmässä.

VLC-paikannus toimii jossain määrin GPS:n kaltaisesti. Jokaisella valaisimella on oma ainutlaatuinen koodinsa, joka lähetetään moduloimalla valoa taajuudella, jota ihmissilmä ei huomaa. Älypuhelin tai muu vastaava kameralla ja sovelluksella varustettu laite pystyy laskemaan etäisyyden kolmesta tai useammasta valaisimesta ja määrittämään sijainnin alle 30 senttimetrin tarkkuudella.

PoE-pohjaisten VLC-järjestelmien suunnittelu

PoE-pohjaisten VLC-järjestelmien suunnittelijoiden kohtaamista haasteista keskeisiä ovat energiatehokkuus ja pieni koko. Lisäksi haasteeksi nousee suunnittelujen toimittaminen markkinoille nopeasti. Onsemillä on runsaasti kokemusta energiatehokkaiden ratkaisujen suunnittelusta moniin sovelluksiin, mukaan lukien älykäs valaistus.ensisijaisista haasteista sekä tarve toimittaa mallit markkinoille nopeasti. onsemillä® on runsaasti kokemusta energiatehokkaiden ratkaisujen suunnittelusta moniin sovelluksiin, mukaan lukien älykäs valaistus.

Ratkaisu älykkääseen PoE-pohjaiseen valaistukseen yhdistää useita erittäin integroituja laitteita kompaktiksi järjestelmäksi, mikä yksinkertaistaa merkittävästi suunnitteluprosessia.

Kuva 2: Älykäs PoE-pohjainen valaistusjärjestelmä

NCP1095 ja NCP1096 ovat PoE-PD-liitäntäohjaimia, jotka varmistavat, että valaistusratkaisu on yhteensopiva IEEE 802.3af/at- ja -3bt-standardien kanssa. Ne sisältävät kaikki PoE-järjestelmän toiminnot, mukaan lukien havaitsemisen, luokituksen ja käynnistysvirran rajoittamisen. Sekä NCP1095 että NCP1096 tukevat sovelluksia 90 wattiin asti, ja niissä on ylivirta- ja ylikuumenemissuoja, mikä suojaa laitetta ja valaistuskuormaa. NCP1095 käyttää ulkoista päästötransistoria suunnittelun joustavuuden vuoksi, NCP1096 on puolestaan täysin integroitu ratkaisu.

Liitäntäohjaimen rinnalla on onsemin edistyksellinen NCL31000-valomoottori, joka sisältää kaikki erittäin tehokkaan ja älykkään valaistusjärjestelmän elementit. Piirin ytimessä on hyötysuhteeltaan 97 % tehokas buck-tyyppinen lediohjain, joka tukee suuren kaistanleveyden analogista himmennystä ja PWM-himmennystä nollavirtaan. Laitteessa on sisäänrakennetut DC/DC-muuntimet, jotka syöttävät virtaa mikro-ohjaimella ja oheislaitteita, kuten antureita, mikä poistaa erillisten DC/DC-muuntimien tarpeen. Tämä yksinkertaistaa suunnittelua ja säästää tilaa ja komponenttikustannuksia.

Piirin kyky himmentää 0,1 % tarkkuudella ja sen korkea lineaarisuus tekevät NCL31000:sta sopivan VLC-sovelluksiin, mukaan lukien valopohjaiseen paikannukseen. Korotettu, vakaa referenssi mahdollistaa todellisen himmentämisen nollaledivirtaan ja poistaa kaikki haamuvalon riskit. Kattava diagnostiikka, mukaan lukien virrat, jännitteet ja lämpötilat, mitataan tarkasti ja toimitetaan järjestelmän ohjaimelle MCU:lle I2C / SPI-liitännän kautta.

Yhteenveto

Älykkään valaistuksen yleistyminen vähävirtaisen leditekniikan kautta yhdessä PoE-standardin kehityksen kanssa johtavat siihen, että käyttöpisteessä on käytettävissä 90 wattia tehoa. Tämän ansiosta voimme kehittää valaistusjärjestelmiä ilman kalliita lisäjohdotuksia.

Vaikka näitä järjestelmiä voidaan käyttää missä tahansa, ne ovat erityisen arvokkaita vaarallisilla alueilla, kuten kaivoksissa ja öljy- tai kaasulautoilla, kosteissa ympäristöissä sekä herkkien laitteiden välittömässä läheisyydessä, kuten sairaaloissa tai lentokoneissa.

Onsemin NCP1095- ja NCP1096 PoE-PD -liitäntäohjaimet ja NCL31000-valomoottorit hyödyntävät yhtiön pitkää kokemusta tehoratkaisuissa ja lediajureita, jotka pienentävät suunnittelu-urakkaa tarjoamalla todistetun, erittäin tehokkaan ja täysin integroidun ratkaisun, joka auttaa saamaan valaistusratkaisuja markkinoida nopeammin.