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LED和Li-Fi照亮了连接照明系统的未来
[作者 Paul Golata]   2019年03月12日 星期二 浏览人次: [10068]

直到最近,照明系统作为局部照明运行。然而,随着我们对连接和数据的依赖性不断增加,这一目的正在不断发展。照明连接系统(CLS)将发光二极体(LED)功能与物联网(IoT)连接相结合,使设计工程师能能够同时提供照明和传输数据的方案。利用物联网作为其数据收集平台,CLS将节省电能,同时为人员和组织开辟新的服务和优势。


CLS的核心是一种名为Li-Fi的新兴光学无线通讯技术,它是 Connected lighting systems 的缩写。Li-Fi於2011年推出,采用IEEE 802.11协议,并逐渐成为不断缩小频谱的Wi-Fi系统的可行替代方案,并使照明成为智慧基础设施的中心点。本文探讨了物联网技术的作用,Li-Fi通过照明传输数据,作为一种新兴的技术,需要不断完善CLS系统才能发挥其潜力。


物联网的作用

物联网的爆炸式增长是一场技术革命。智慧感测器技术和无线连接使设计工程师专注於如何感知和收集数据,以及如何使其用於基於网路处理和操作。感测器、无线连接和数位数据为进一步CLS的发展奠定了基础。


光学感测器

感测器无处不在,测量湿度、温度、压力、空气质量、振动和挥发性有机化合物(VOC)等方面,仅举几例。感测器检测物理世界产生的模拟信号,然後将其转换为可由嵌入式系统进行控制和操纵的数位数据信号(图1)。光学感测器将光能转换为可读的电信号,可以检测灯是打开还是关闭,并检测光强度。


连接现代城市形象

图为感测器接收来自物理世界的类比信号,并将其转换为可由嵌入式系统控制的数位数据讯号。


无线连接

Wi-Fi是一种允许设备连接到无线局域网(WLAN)的技术。 Wi-Fi使用射频(RF)频谱范围(20kHz-300GHz)的电磁波辐射,主要频率范围为五个主频:2.4GHz、3.6GHz、4.9GHz、5GHz和5.9GHz。目前,大多数消费级产品专注於2.4GHz和5GHz频率中的一个或两个。然而,Wi-Fi存在缺点,包括易受骇客攻击以及频谱已经接近接入容量。


数位数据

数位数据易於储存以备将来使用。结合人工智慧(AI)和大数据分析(BDA)预测、应用、扩展和利用这些数据的未来,设计目标是将照明系统纳入这一整体技术架构。物联网承诺提供更智慧化的各种端到端解决方案。


Li-Fi:光无线通讯

CLS将LED功能与物联网连接相结合,使设计工程师能够同时提供照明和传输数据的方案。这些系统的核心是固态照明(SSL),它是使用LED作为照明源而不是灯丝、等离子体或气体的照明。LED为设计人员提供了一系列选项,例如开关之间的快速调制以及控制颜色和输出流明的能力,它们还具有持久、紧凑、耐用和节能的特点,使其成为扩展用途的良好基础。


作为光学无线通讯(OWC)技术,Li-Fi已经发展为通过可见光传输数据,虽然Wi-Fi使用无线电波传输数据,但Li-Fi使用红外线、紫外线和可见光波,这提供了几个优势。虽然Wi-Fi频谱拥挤到接近危机的程度,但可见的Li-Fi频谱比RF对应频谱大近10,000倍。Li-Fi还可以提供与Wi-Fi相当的资料传输速率,可靠、高质量的传输速度高达>30Mbps。更重要的是,Li-Fi使用视线(LoS)架构,这使其对骇客行为具有高度免疫力;当骇客拦截数据流时,数据通常会消失。


LED能够快速调制打开和关闭是Li-Fi工作原理的关键:数据通过这些调制和解调方案,从一个位置传输到另一个位置。Li-Fi通过获取流数据内容,并将其??入SSL驱动程式来运行;此SSL驱动程式可以运行一串LED灯,以高速打开和关闭它们,随着LED灯的开启和关闭,选通频率比眼睛看得更快,它们照亮了上下文区域。


在这个区域内有一个Li-Fi加密狗(dongle),这是一个连接到电脑的整合设备,包含一个光电探测器来感应光线,它通过产生与其表面上的光量成比例的电流来响应,微小的电信号进入带有放大器的电子电路,可以增强信号,在信号通过与诸如笔记型电脑、可携式电脑、行动设备或行动电话之类设备的无线连接离开加密狗之前,进一步进行信号调节和处理。


整体统一:产品、系统和软体

几年前,LED制造商开始优先考虑创建一个统一的解决方案-即能够在一个地方与所有各种机电系统进行交互的照明。随着物联网的蓬勃发展,该计划显示了使用硬体、物联网、软体和介面资产,实现CLS潜力所需的三种不同的可持续支持。


硬体资产

硬体资产需要LED元件的封装和电子驱动器的使用来控制通过LED元件的电流。设计人员还必须考虑相关的电光机械功能,以查看这些设备的实现并将其转换为成功的产品。硬体设计可能需要散热、安装、封装、光学控制以及与灯具将与之介面的物品的整合(使用通用和适用的设计代码)。


添加智慧感测器以获取模拟资讯,并将其转换为数位资讯,也是此设计工作的一部分。简而言之,供应商应关注所有相关硬体零组件如何协同工作。


物联网资产

然而,只有硬体是不够的。强大的CLS设计需要额外的措施,使其能够成功连接到其他照明系统,并与之协同工作。CLS供应商必须解决系统整合的问题,包括数据安全性。


如何保护数据免受试图控制的未授权用户侵害?数据安全可能需要身份验证工作,身份验证可保护授权浏览的复杂密钥,而後端储存、电脑伺服器和分析也需要考虑。当进入物联网领域时,CLS设计人员必须确保将数据传入和传出CLS的途径可用,可靠且稳健。


软体资产

物联网通过云提供了前所未有的广泛服务。在物联网的新世界中,提供基於云的技术服务以支援其产品的CLS提供商将具有竞争优势,因为它们将允许其客户立即从其产品中获得最大利益。


未来的交互性对於快速增长至关重要。标准解决方案允许多个供应商的产品,随着时间的推移无缝地协同工作,提供经济激励和效益。无法与其他产品一起使用的解决方案将发现自己处於竞争劣势,因为能够跨越域和边界而没有问题的需求将成为主流。


介面

CLS供应商必须解决的另一个领域是通用应用程式编程介面(API)。美国能源部(DOE)意识到,要实现CLS的一些理想能源效益,这是一个需要克服的主要障碍。SSL更有效地节省能源。但是,连接到物联网的多个CLS形式的SSL,将使明天的城市更加高效。


这种提高的效率将来自CLS在智慧电网内,将SSL和IoT结合在一起,允许办公室、建筑物、家庭、零售商、路灯等类似的协调,以便它们都作为优化的整个系统,而不是单独工作。智慧感测器获得的数据与数据分析相结合,可以进行调整,为统一系统内的每个位置节省资金,如果该位置与整体不相连,这是不可能的。美国能源部建议为用户提供API,而照明行业则考虑采行通用的安全方法,以寻求最大限度地减少行业的系统整合问题。


结论

LED光源已成为一种途径,通过资讯技术与物联网的连接,照明可以从类比转向数位,使生活更美好,更轻松。Li-Fi为CLS提供了光和传输数据的潜力,凭藉这些功能,照明系统可以替代不断缩小的Wi-Fi频谱,使照明成为智能基础设施中的枢纽。互联照明创新有??实现比我们今天生活的世界更加光明的未来,但与许多未来的创新一样,眼见为凭。


(本文作者Paul Golata任职於Mouser Electronics)


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