本文介紹了可用于控制工業(yè)環(huán)境中智能照明系統(tǒng)的協(xié)議，從ISM頻段設(shè)備到WirelessHART，Zigbee和WiFi。

工業(yè)環(huán)境照明系統(tǒng)越來(lái)越多地利用無(wú)線技術(shù)來(lái)提高效率和降低成本。將智能的網(wǎng)絡(luò)控制器添加到照明中可以通過(guò)在不需要的時(shí)間和地點(diǎn)關(guān)閉燈來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的最佳利用，有時(shí)與中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)，降低功耗并減少電費(fèi)。

這些無(wú)線節(jié)點(diǎn)需要在物料清單，功耗和持續(xù)維護(hù)方面具有成本效益。降低節(jié)點(diǎn)的功耗不僅削減了電費(fèi)，這在具有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)燈的工業(yè)環(huán)境中可能是重要的，而且還允許節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池更長(zhǎng)時(shí)間地供電。這降低了維護(hù)的成本和復(fù)雜性，并且允許節(jié)點(diǎn)容易地改裝到照明系統(tǒng)，而不是必須直接插入主電源。進(jìn)一步降低功率可以使能量收集技術(shù)從環(huán)境中捕獲能量并將節(jié)點(diǎn)的壽命延長(zhǎng)到許多年，這是具有長(zhǎng)壽命的工業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。

有一系列適用于連接工業(yè)環(huán)境照明的協(xié)議，符合現(xiàn)有的工業(yè)控制協(xié)議。 Zigbee位于全球未經(jīng)許可的2.4 GHz頻段，提供單芯片收發(fā)器生態(tài)系統(tǒng)，集成了一個(gè)控制器，可用于本地控制，如溫度傳感。這些在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中使用，以便每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以用作與最近鄰居的連接，而不必跨越整個(gè)設(shè)施。這意味著可以降低發(fā)射功率以降低功耗，這種方法適用于通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送少量數(shù)據(jù)的工業(yè)照明。

對(duì)于低成本的本地化實(shí)施，在1 GHz以下的較低ISM范圍內(nèi)有許多不同的頻段，可以在較低的數(shù)據(jù)速率下提供更長(zhǎng)的覆蓋范圍。 Atmel AT86RF231分集板展示了符合Zigbee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz無(wú)線電收發(fā)器和高性能AVR微控制器的功能，可作為全功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可由兩節(jié)AAA電池驅(qū)動(dòng)一年多。兩個(gè)陶瓷芯片天線在具有多徑衰落效應(yīng)的典型室內(nèi)場(chǎng)景中增加了鏈路預(yù)算。

圖1：Atmel AT86RF231分集板。

電路板主要由兩部分組成：微控制器ATmega1281V和無(wú)線電收發(fā)器AT86RF231。微控制器控制符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電收發(fā)器，并用作SPI主控制器。收發(fā)器處理有關(guān)RF調(diào)制/解調(diào)，信號(hào)處理和幀接收的所有802.15.4動(dòng)作。

圖2：Atmel AT86RF231分集板的兩個(gè)部分。

收發(fā)器中實(shí)現(xiàn)了幾種MAC硬件加速功能，支持通過(guò)使用兩個(gè)天線作為天線分集系統(tǒng)來(lái)增加多徑環(huán)境中的鏈路預(yù)算的能力。天線切換可以配置為由收發(fā)器自動(dòng)處理。

所有組件均放置在雙層1.5 mm FR4印刷電路板的一側(cè)，從而提供低成本的制造解決方案。

對(duì)于工業(yè)照明系統(tǒng)的自主操作，電路板可由兩節(jié)AAA電池供電，電池由電路板背面的電池夾固定。微控制器軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)的適當(dāng)睡眠/喚醒周期，以達(dá)到電池的可靠壽命。

收發(fā)器包含發(fā)送和接收符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制2.4 GHz信號(hào)所需的所有RF關(guān)鍵組件，外部組件減少為去耦電容和晶體。差分100ΩRF信號(hào)由平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為單端50Ω信號(hào)，并通過(guò)RF開(kāi)關(guān)（U5）路由至天線。

兩個(gè)陶瓷芯片天線以正交配置放置在電路板頂部。這導(dǎo)致空間和極化的多樣化并且可以大大減少多徑衰落效應(yīng)。收發(fā)器可以配置為通過(guò)寄存器設(shè)置選擇天線，或者根據(jù)接收信號(hào)自動(dòng)選擇天線。

在工業(yè)環(huán)境中，將智能照明連接到工業(yè)控制系統(tǒng)可能具有優(yōu)勢(shì)，其中一些使用HART協(xié)議WirelessHART。 Atmel部件也支持這一功能，以便與更廣泛的控制系統(tǒng)集成。

另一種選擇是恩智浦的JN5148-001。這是一款超低功耗，高性能的無(wú)線微控制器，針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的JenNet和ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。該器件采用增強(qiáng)型32位RISC處理器，通過(guò)可變寬度指令，多級(jí)指令流水線和具有可編程時(shí)鐘速度的低功耗操作提供高編碼效率。它還包括一個(gè)2.4 GHz IEEE802.15.4兼容收發(fā)器，128 kB ROM，128 kB RAM，以及豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)組合。大內(nèi)存占用允許設(shè)備運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)堆棧，例如ZigBee PRO或?qū)Ｓ蠮enNet協(xié)議，以及嵌入式應(yīng)用程序或協(xié)處理器模式。工作電流低于18 mA，允許直接從紐扣電池進(jìn)行操作。

圖3：恩智浦JN5148-001集成Zigbee收發(fā)器。

增強(qiáng)型外設(shè)包括在睡眠模式下運(yùn)行的低功耗脈沖計(jì)數(shù)器，專為AMR應(yīng)用中的脈沖計(jì)數(shù)而設(shè)計(jì)，以及獨(dú)特的飛行時(shí)間測(cè)距引擎，可在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)精確的定位服務(wù)。它還包括一個(gè)四線I2S音頻接口，可直接連接主流音頻編解碼器，以及傳統(tǒng)的MCU外設(shè)。

無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序往往比有線數(shù)據(jù)更復(fù)雜，無(wú)線協(xié)議對(duì)頻率，數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，安全性和其他問(wèn)題提出了嚴(yán)格的要求。除產(chǎn)品功能和用戶界面外，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)還必須考慮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求。為了最大限度地降低這種復(fù)雜性，恩智浦提供了一系列軟件庫(kù)和接口，用于控制JN5148的收發(fā)器和外設(shè)。這些庫(kù)和接口使開(kāi)發(fā)人員無(wú)需了解無(wú)線協(xié)議，并大大簡(jiǎn)化了電源模式，中斷和硬件功能的編程復(fù)雜性。

收發(fā)器包括2.45GHz無(wú)線電，調(diào)制解調(diào)器，基帶控制器和安全協(xié)處理器以及用于控制諸如功率放大器的外部設(shè)備的發(fā)送 - 接收切換的輸出。這允許構(gòu)建需要增加發(fā)射功率的應(yīng)用以提供更多范圍或應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境中更惡劣的無(wú)線電環(huán)境。

對(duì)于工業(yè)無(wú)線照明控制系統(tǒng)，成本可能是一個(gè)相當(dāng)大的因素，并且可能無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 ADI公司的ADF7021等器件采用更簡(jiǎn)單的2FSK/3FSK/4FSK調(diào)制，可提供高性能，低功耗，高度集成的收發(fā)器。它設(shè)計(jì)用于窄帶，免許可證的ISM頻段，以及頻率范圍為80 MHz至650 MHz和862 MHz至950 MHz的許可頻段。該器件具有高斯和升余弦發(fā)送數(shù)據(jù)濾波選項(xiàng)，可提高窄帶應(yīng)用的頻譜效率。它適用于針對(duì)歐洲ETSI EN 300 220，日本ARIB STD-T67，中國(guó)短程設(shè)備法規(guī)以及北美FCC第15部分，第90部分和第95部分監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的電路應(yīng)用。

圖4：ADI公司的ADF7021 ISM收發(fā)器。

可以使用少量外部分立元件構(gòu)建完整的收發(fā)器，使ADF7021適用于對(duì)價(jià)格敏感且對(duì)區(qū)域敏感的應(yīng)用。

片上FSK調(diào)制和數(shù)據(jù)濾波選項(xiàng)的范圍使用戶可以更靈活地選擇調(diào)制方案，同時(shí)滿足嚴(yán)格的頻譜效率要求。 ADF7021還支持在2FSK/3FSK/4FSK之間動(dòng)態(tài)切換的協(xié)議，以最大化通信范圍和數(shù)據(jù)吞吐量。

發(fā)送部分包含雙壓控振蕩器（VCO）和低噪聲小數(shù)N分頻PLL，輸出分辨率《1 ppm。 ADF7021具有使用內(nèi)部LC槽（431 MHz至475 MHz，862 MHz至950 MHz）的VCO和使用外部電感作為其槽路（80 MHz至650 MHz）一部分的VCO。雙VCO設(shè)計(jì)允許雙頻帶操作，其中用戶可以以內(nèi)部電感器VCO支持的任何頻率發(fā)送和/或接收，并且還可以在由外部電感器VCO支持的特定頻帶處發(fā)送和/或接收。

頻率捷變PLL允許ADF7021用于跳頻擴(kuò)頻（FHSS）系統(tǒng)。兩個(gè)VCO的工作頻率都是基頻的兩倍，以減少雜散發(fā)射和頻率牽引問(wèn)題。

變送器輸出功率可在-16 dBm至+13 dBm范圍內(nèi)以63步進(jìn)行編程，并具有自動(dòng)功率斜坡控制功能，可防止頻譜飛濺并有助于滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。收發(fā)器RF頻率，通道間隔和調(diào)制可使用簡(jiǎn)單的三線接口進(jìn)行編程。

接收器采用低IF架構(gòu)（100 kHz），可最大限度地降低功耗和外部元件數(shù)量，同時(shí)避免低頻時(shí)的DC偏移和閃爍噪聲。 IF濾波器的可編程帶寬為12.5 kHz，18.75 kHz和25 kHz。 ADF7021支持多種可編程功能，包括Rx線性度，靈敏度和IF帶寬，允許用戶根據(jù)應(yīng)用的不同，將接收器靈敏度和選擇性與電流消耗進(jìn)行權(quán)衡。

接收器還具有正在申請(qǐng)專利的自動(dòng)頻率控制（AFC）環(huán)路，具有可編程引入范圍，允許PLL跟蹤輸入信號(hào)中的頻率誤差。使用正在申請(qǐng)專利的IR校準(zhǔn)方案，無(wú)需使用外部RF源，接收器可實(shí)現(xiàn)56 dB的鏡像抑制性能。

片內(nèi)ADC提供集成溫度傳感器，外部模擬輸入，電池電壓和RSSI信號(hào)的回讀，可在某些應(yīng)用中節(jié)省ADC。對(duì)于使用915 MHz ISM頻段的無(wú)線照明控制系統(tǒng)，Silicon Labs開(kāi)發(fā)了一個(gè)完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)微控制器和收發(fā)器，其工作頻率范圍為240 MHz至915 MHz，即Si1010。

圖5：Silicon Labs的Si1010開(kāi)發(fā)板。

憑借片上上電復(fù)位，VDD監(jiān)視器，看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器，Si1010可以獨(dú)立提供簡(jiǎn)單的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。閃存可以在線重新編程，提供非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許8051固件的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。用戶軟件可以完全控制所有外設(shè)，并可以單獨(dú)關(guān)閉任何或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。在-40至+ 85°C的溫度范圍內(nèi)，每個(gè)器件的工作電壓為0.9至1.8 V，0.9至3.6 V或1.8至3.6 V，適用于工業(yè)應(yīng)用。

圖6：Si1010單芯片ISM收發(fā)器。

收發(fā)器極低的接收靈敏度（-121 dBm）與業(yè)界領(lǐng)先的+20 dBm輸出功率相結(jié)合，可確保擴(kuò)展范圍和改善的鏈路性能。內(nèi)置天線分集和跳頻支持可用于進(jìn)一步擴(kuò)展范圍和增強(qiáng)性能。先進(jìn)的無(wú)線電功能包括240-960 MHz的連續(xù)頻率覆蓋，156 Hz或312 Hz步長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)諧控制。其他系統(tǒng)功能，如自動(dòng)喚醒定時(shí)器，低電池檢測(cè)器，64字節(jié)TX/RX FIFO，自動(dòng)數(shù)據(jù)包處理和前導(dǎo)碼檢測(cè)，可降低總體電流消耗。

收發(fā)器的數(shù)字接收架構(gòu)具有高性能ADC和基于DSP的調(diào)制解調(diào)器，可執(zhí)行解調(diào)，過(guò)濾和數(shù)據(jù)包處理，從而提高靈活性和性能。直接數(shù)字發(fā)射調(diào)制和自動(dòng)PA功率斜坡確保精確的發(fā)射調(diào)制和減少的頻譜擴(kuò)展，從而確保符合全球法規(guī)。

工業(yè)照明系統(tǒng)無(wú)線連接協(xié)議的范圍為設(shè)計(jì)人員提供了一套靈活的選擇，以滿足特定設(shè)施的成本和功率要求。能夠輕松地將無(wú)線節(jié)點(diǎn)集成到工業(yè)照明配件中，或者將節(jié)點(diǎn)改裝到現(xiàn)有配件上，采用非常不同的方法，并且在這些情況下，不同的協(xié)議可能是適當(dāng)?shù)摹?/p>