无线协议提高工业照明的能源效率

本文介绍了可用于控制工业环境中智能照明系统的协议，从ISM频段设备到WirelessHART，Zigbee和WiFi。

工业环境照明系统越来越多地利用无线技术来提高效率和降低成本。将智能的网络控制器添加到照明中可以通过在不需要的时间和地点关闭灯来实现资源的最佳利用，有时与中央控制系统协调，降低功耗并减少电费。

这些无线节点需要在物料清单，功耗和持续维护方面具有成本效益。降低节点的功耗不仅削减了电费，这在具有数百甚至数千个灯的工业环境中可能是重要的，而且还允许节点通过电池更长时间地供电。这降低了维护的成本和复杂性，并且允许节点容易地改装到照明系统，而不是必须直接插入主电源。进一步降低功率可以使能量收集技术从环境中捕获能量并将节点的寿命延长到许多年，这是具有长寿命的工业系统的关键要求。

有一系列适用于连接工业环境照明的协议，符合现有的工业控制协议。 Zigbee位于全球未经许可的2.4 GHz频段，提供单芯片收发器生态系统，集成了一个控制器，可用于本地控制，如温度传感。这些在网状网络中使用，以便每个节点可以用作与最近邻居的连接，而不必跨越整个设施。这意味着可以降低发射功率以降低功耗，这种方法适用于通过整个网络发送少量数据的工业照明。

对于低成本的本地化实施，在1 GHz以下的较低ISM范围内有许多不同的频段，可以在较低的数据速率下提供更长的覆盖范围。 Atmel AT86RF231分集板展示了符合Zigbee 802.15.4标准的2.4 GHz无线电收发器和高性能AVR微控制器的功能，可作为全功能网络节点，可由两节AAA电池驱动一年多。两个陶瓷芯片天线在具有多径衰落效应的典型室内场景中增加了链路预算。

图1：Atmel AT86RF231分集板。

电路板主要由两部分组成：微控制器ATmega1281V和无线电收发器AT86RF231。微控制器控制符合802.15.4标准的无线电收发器，并用作SPI主控制器。收发器处理有关RF调制/解调，信号处理和帧接收的所有802.15.4动作。

图2：Atmel AT86RF231分集板的两个部分。

收发器中实现了几种MAC硬件加速功能，支持通过使用两个天线作为天线分集系统来增加多径环境中的链路预算的能力。天线切换可以配置为由收发器自动处理。

所有组件均放置在双层1.5 mm FR4印刷电路板的一侧，从而提供低成本的制造解决方案。

对于工业照明系统的自主操作，电路板可由两节AAA电池供电，电池由电路板背面的电池夹固定。微控制器软件负责系统的适当睡眠/唤醒周期，以达到电池的可靠寿命。

收发器包含发送和接收符合802.15.4标准的调制2.4 GHz信号所需的所有RF关键组件，外部组件减少为去耦电容和晶体。差分100ΩRF信号由平衡 - 不平衡转换器转换为单端50Ω信号，并通过RF开关（U5）路由至天线。

两个陶瓷芯片天线以正交配置放置在电路板顶部。这导致空间和极化的多样化并且可以大大减少多径衰落效应。收发器可以配置为通过寄存器设置选择天线，或者根据接收信号自动选择天线。

在工业环境中，将智能照明连接到工业控制系统可能具有优势，其中一些使用HART协议WirelessHART。 Atmel部件也支持这一功能，以便与更广泛的控制系统集成。

另一种选择是恩智浦的JN5148-001。这是一款超低功耗，高性能的无线微控制器，针对工业自动化的JenNet和ZigBee PRO网络应用。该器件采用增强型32位RISC处理器，通过可变宽度指令，多级指令流水线和具有可编程时钟速度的低功耗操作提供高编码效率。它还包括一个2.4 GHz IEEE802.15.4兼容收发器，128 kB ROM，128 kB RAM，以及丰富的模拟和数字外设组合。大内存占用允许设备运行网络堆栈，例如ZigBee PRO或专有JenNet协议，以及嵌入式应用程序或协处理器模式。工作电流低于18 mA，允许直接从纽扣电池进行操作。

图3：恩智浦JN5148-001集成Zigbee收发器。

增强型外设包括在睡眠模式下运行的低功耗脉冲计数器，专为AMR应用中的脉冲计数而设计，以及独特的飞行时间测距引擎，可在无线传感器网络上实现精确的定位服务。它还包括一个四线I²S音频接口，可直接连接主流音频编解码器，以及传统的MCU外设。

无线传输数据的应用程序往往比有线数据更复杂，无线协议对频率，数据格式，数据传输时间，安全性和其他问题提出了严格的要求。除产品功能和用户界面外，应用程序开发还必须考虑无线网络的要求。为了最大限度地降低这种复杂性，恩智浦提供了一系列软件库和接口，用于控制JN5148的收发器和外设。这些库和接口使开发人员无需了解无线协议，并大大简化了电源模式，中断和硬件功能的编程复杂性。

收发器包括2.45GHz无线电，调制解调器，基带控制器和安全协处理器以及用于控制诸如功率放大器的外部设备的发送 - 接收切换的输出。这允许构建需要增加发射功率的应用以提供更多范围或应对工业环境中更恶劣的无线电环境。

对于工业无线照明控制系统，成本可能是一个相当大的因素，并且可能无法使用标准协议。 ADI公司的ADF7021等器件采用更简单的2FSK/3FSK/4FSK调制，可提供高性能，低功耗，高度集成的收发器。它设计用于窄带，免许可证的ISM频段，以及频率范围为80 MHz至650 MHz和862 MHz至950 MHz的许可频段。该器件具有高斯和升余弦发送数据滤波选项，可提高窄带应用的频谱效率。它适用于针对欧洲ETSI EN 300 220，日本ARIB STD-T67，中国短程设备法规以及北美FCC第15部分，第90部分和第95部分监管标准的电路应用。

图4：ADI公司的ADF7021 ISM收发器。

可以使用少量外部分立元件构建完整的收发器，使ADF7021适用于对价格敏感且对区域敏感的应用。

片上FSK调制和数据滤波选项的范围使用户可以更灵活地选择调制方案，同时满足严格的频谱效率要求。 ADF7021还支持在2FSK/3FSK/4FSK之间动态切换的协议，以最大化通信范围和数据吞吐量。

发送部分包含双压控振荡器（VCO）和低噪声小数N分频PLL，输出分辨率《1 ppm。 ADF7021具有使用内部LC槽（431 MHz至475 MHz，862 MHz至950 MHz）的VCO和使用外部电感作为其槽路（80 MHz至650 MHz）一部分的VCO。双VCO设计允许双频带操作，其中用户可以以内部电感器VCO支持的任何频率发送和/或接收，并且还可以在由外部电感器VCO支持的特定频带处发送和/或接收。

频率捷变PLL允许ADF7021用于跳频扩频（FHSS）系统。两个VCO的工作频率都是基频的两倍，以减少杂散发射和频率牵引问题。

变送器输出功率可在-16 dBm至+13 dBm范围内以63步进行编程，并具有自动功率斜坡控制功能，可防止频谱飞溅并有助于满足法规标准。收发器RF频率，通道间隔和调制可使用简单的三线接口进行编程。

接收器采用低IF架构（100 kHz），可最大限度地降低功耗和外部元件数量，同时避免低频时的DC偏移和闪烁噪声。 IF滤波器的可编程带宽为12.5 kHz，18.75 kHz和25 kHz。 ADF7021支持多种可编程功能，包括Rx线性度，灵敏度和IF带宽，允许用户根据应用的不同，将接收器灵敏度和选择性与电流消耗进行权衡。

接收器还具有正在申请专利的自动频率控制（AFC）环路，具有可编程引入范围，允许PLL跟踪输入信号中的频率误差。使用正在申请专利的IR校准方案，无需使用外部RF源，接收器可实现56 dB的镜像抑制性能。

片内ADC提供集成温度传感器，外部模拟输入，电池电压和RSSI信号的回读，可在某些应用中节省ADC。对于使用915 MHz ISM频段的无线照明控制系统，Silicon Labs开发了一个完全集成的混合信号片上系统微控制器和收发器，其工作频率范围为240 MHz至915 MHz，即Si1010。

图5：Silicon Labs的Si1010开发板。

凭借片上上电复位，VDD监视器，看门狗定时器和时钟振荡器，Si1010可以独立提供简单的系统开发。闪存可以在线重新编程，提供非易失性数据存储，并允许8051固件的现场升级。用户软件可以完全控制所有外设，并可以单独关闭任何或所有外设以节省功耗。在-40至+ 85°C的温度范围内，每个器件的工作电压为0.9至1.8 V，0.9至3.6 V或1.8至3.6 V，适用于工业应用。

图6：Si1010单芯片ISM收发器。

收发器极低的接收灵敏度（-121 dBm）与业界领先的+20 dBm输出功率相结合，可确保扩展范围和改善的链路性能。内置天线分集和跳频支持可用于进一步扩展范围和增强性能。先进的无线电功能包括240-960 MHz的连续频率覆盖，156 Hz或312 Hz步长，可实现精确的调谐控制。其他系统功能，如自动唤醒定时器，低电池检测器，64字节TX/RX FIFO，自动数据包处理和前导码检测，可降低总体电流消耗。

收发器的数字接收架构具有高性能ADC和基于DSP的调制解调器，可执行解调，过滤和数据包处理，从而提高灵活性和性能。直接数字发射调制和自动PA功率斜坡确保精确的发射调制和减少的频谱扩展，从而确保符合全球法规。

工业照明系统无线连接协议的范围为设计人员提供了一套灵活的选择，以满足特定设施的成本和功率要求。能够轻松地将无线节点集成到工业照明配件中，或者将节点改装到现有配件上，采用非常不同的方法，并且在这些情况下，不同的协议可能是适当的。