先进控制通讯技术就位 智能照明应用大放异彩

发布日期:2022-05-18 01:52   来源:未知   

  上海企业科技感十足的“战‘疫’求发展”之路即日起 北京两地调整为中风险地区 涉及丰台,智能照明(Smart Lighting)可视为智能电网(Smart Grid)的延伸,在整个智能化能源管理产业及智能家庭的发展上皆扮演重要角色。

  与传统照明方案相比,智能照明最大差异在于可引进发光二极体(LED)、通讯、自动化控制及环境感测功能,因此新的灯具系统设计也增添不少技术挑战,如何在相容传统灯具的前提下,循序渐进朝智能照明发展,已成为供应链业者首要努力方向。

  着眼于此,美国电器製造商协会(NEMA),以及国际电工委员会(IEC)等标准组织皆已相继投入研拟新一代智能照明灯具系统标准,并可望于2014年揭露技术架构及功能性安全等规范雏型,将有助具通讯与自动控制功能的智能照明应用加速成形,为照明产业及通讯供应链引来新商机。

  图1 UL台湾工程部专案经理刘耀文提到,各国照明政策将是影响当地导入智能照明系统快慢的关键。

  UL台湾工程部专案经理刘耀文(图1)表示,智能照明发展风潮势不可当,各大国际标准组织正马不停蹄展开智能照明系统相关规范的探讨,其中,尤以北美的NEMA协会进展最快,该协会的核心成员UL已计画于今年底前提案,并于2014年起草智能照明灯具标准。

  除灯具系统外,该标准还将一并纳入智能照明控制软体、连接介面和功能性安全等考量,以建立智能照明共通平台,加速扩大市场规模,同时也避免消费者全面换装智能照明系统而垫高成本。

  刘耀文强调,NEMA标准一向扮演照明产品进入北美市场的把关者,且欧洲、日本等国家也多以此做为该国标准的依据,足见其影响力不容小觑。现阶段,该协会正广泛涉足建筑、公共设施、路灯/交通号誌及家庭的智能照明灯具及互通机制研究,将成串连照明与ICT产业的重要推手。

  除了NEMA以外,IEC近期也已成立TC34小组委员会,加紧研拟新一代灯具系统标准。儘管目前该小组还停留在定义智能照明系统的初步阶段,但包括测试验证方法、应用覆盖范围,甚至是能源采集(Energy Harvesting)等周边应用技术都已纳入小组会议排程,未来几年可望成为全球重要的智能照明标准参考来源,对相关解决方案商用化将有极大的助益。

  刘耀文认为,随着两大国际标准组织开始勾勒智能照明愿景,包括国际照明大厂、LED灯源、封装与驱动电路解决方案供应商,以及通讯芯片业者皆已竞相加码投资,将使整个智能照明产业链活络起来,并促进照明技术不断翻新。

  为与传统照明系统灯具架构相容,智能照明的LED驱动器与封装技术变革已率先启动。由于智能照明系统电路板设计空间极为有限,因此LED驱动器与封装业者已加速研发整合驱动电路及LED光源的光电一体化方案,以及DOB(Driver on Board)和COB(Chip on Board)等新式封装技术。

  图2 NPD DisplaySearch分析师畲庆威认为,日本和美国市场对智能照明系统的需求正持续上升。

  NPD DisplaySearch分析师畲庆威(图2)表示,北美、日本及中国大陆正全力推广节能政策,并以补贴方式鼓励民众及企业换装LED灯具,遂给予 LED照明破旧立新的动能,加快整个产业的发展脚步。随着LED产品价格逐渐逼近传统照明方案,渗透率与日俱增,更前瞻的智能照明概念也应运而生,已吸引飞利浦(Philips)、欧司朗(OSRAM)、东芝(Toshiba)及Rambus等照明方案供应商竞相发动新产品攻势。

  不过,LED智能照明除须增加通讯、感测及智能化自动控制功能外,更重要的是要相容传统灯具,以避免大幅度的照明系统变动而影响消费者采用意愿,同时降低整体安装成本。畲庆威强调,在照明系统的体积限制下,LED驱动芯片商与封装业者已将整合驱动电路及光源的光电一体化LED设计视为布局重点,紧锣密鼓开发新的LED驱动IC,以及DOB和COB等微型化封装解决方案。

  畲庆威分析,以飞利浦最新推出的智能照明解决方案--hue为例,即采光电一体化的设计,并结合ZigBee、LED灯及行动装置应用程式,提供调光及无线网路控制功能。摊开hue物料清单(BOM)成本列表,非驱动电路的LED光源与散热机构仅占15%左右,而整合通讯与控制方案的驱动电路则高达 75%,足见驱动电路设计将是推进智能照明发展的重心。

  据悉,目前包括德州仪器(TI)、快捷(Fairchild)及戴乐格半导体(Dialog Semiconductor)皆致力研发低功耗、小尺寸及更高功能整合度的LED驱动IC,并将搭配ZigBee、低功耗蓝牙(BLE)或数位可定址介面 (DALI)等相关控制技术。

  至于LED封装厂则加码投资中高功率LED的DOB、COB产线,以直接将LED驱动IC、印刷电路板与灯具结合,协助系统业者实现光电一体化架构,满足智能照明系统的要求。

  智能照明不仅牵动LED驱动器架构转变,也将促进新的电路布局及调光(Dimming)技术陆续现身,从而实现更便利、更低成本的数位化控制方案。

  图3 达鑫电子市场行销部产品行销专案经理张君源表示,LED驱动电路设计将加速朝光电一体架构迈进。

  达鑫电子市场行销部产品行销专案经理张君源(图3)表示,LED驱动器係实现智能照明重要元件,除了基本的芯片体积、功耗和效能要求外,还须加入自动调光及低成本设计考量,方能让照明系统真正智能化,且有足够吸引力刺激消费者埋单。

  张君源强调,由于LED驱动器设计愈趋复杂,加上各种新功能需求陆续浮现,因此新一代非隔离线性驱动方案可望顺势崛起。该技术有助简化LED驱动器电路布局,并可省略电解电容及隔离元件,从而加速实现光电整合设计,使所有LED驱动电路元件及组成的PCB板都做到LED灯具内,并相容现有的照明系统。

  事实上,随着LED光源功率不断攀升,终端产品价格持续下降,LED驱动IC占整体照明灯具成本的比重愈来愈突显,遂刺激芯片商竞相加码开发更高整合度的线性驱动方案,方能符合系统厂缩减物料清单(BOM)成本的需求。张君源也透露,目前飞利浦及欧司朗等照明大厂皆已计画改搭线性驱动或类似解决方案,促进终端产品价格更加亲民。

  图4 戴乐格固态照明产品行销总监Hubie Notohamiprodjo指出,LED数位调光技术可望全面取代传统Phase-cut调光方案。

  至于LED调光技术方面,戴乐格固态照明产品行销总监Hubie Notohamiprodjo(图4)则指出,在照明供应商全速推动智能照明之际,传统TRIAC调光方案将逐渐式微,并将由脉衝宽度调变(PWM)、无线区域网路(Wi-Fi)/ZigBee/6LoWPAN无线调光,以及LEDOTRON DLT(Digital Load Side Transmission)等数位调光技术接替其地位。

  Notohamiprodjo特别强调,DLT方案基于IEC62756的开放性标准,支援数位可定址多通道通讯协定,可延展既有采用相切(Phase- cut)技术的LED系统调光精准度及电源效率,同时解决各种调光技术挑战,将成为下世代商用建筑、家庭智能照明自动化的重要推手。

  据悉,欧司朗为DLT控制技术主要支持者,近期该公司已宣布旗下LED照明产品未来将全面导入DLT方案,以增添智能照明系统利用价值。 Notohamiprodjo认为,未来1?2年将是LED照明迈向数位调光的关键期,相关的LED驱动芯片及系统解决方案可望大量出炉,成为供应链业者新的技术战场。

  看好DLT未来发展,包括戴乐格、Maxim Integrated等LED驱动器芯片商亦相继启动DLT设计案,并计画于2014?2015年导入量产。其中,戴乐格将抢先于2013年第四季发布 DLT产品,协助LED模组及灯具系统业者达成更高效率、更低成本的智能照明控制方案。

  另一方面,通讯机制则是芯片与照明供应商实现智能照明系统另一大研发焦点,现阶段,各种有线及无线技术正处于百家争鸣的局面,包括电力线通讯(PLC)、 Wi-Fi 802.11n/ac、ZigBee、Z-wave、蓝牙低功耗,甚至GPRS行动通讯等技术阵营皆亟欲抢占智能照明商机,使市场顿时硝烟瀰漫。

  图5 鉅景科技无线通讯事业处资深协理刘尚淳认为,SiP封装对LED控制与通讯芯片的整合将大有助益。

  鉅景科技无线通讯事业处资深协理刘尚淳(图5)表示,智能照明係家庭自动化的一环,须符合中长距离、低功耗连接及主控端/受控端双向沟通等设计要求,才能与各种家庭联网设备协同运作,对系统厂而言,选择合适的有线或无线通讯方案至为关键。

  刘尚淳认为,考量布线复杂度及使用方便性,现阶段以无线通讯技术实现智能照明的唿声较高,特别是具备超低功耗且支援数万节点的ZigBee,以及在行动装置市场发展极为成熟的Wi-Fi更是系统厂最关注的两大焦点。不仅如此,更有业者开始投入布局ZigBee加Wi-Fi整合型方案,以兼具ZigBee的低功耗网状网路架构,以及Wi-Fi装置的超高渗透率优势,加速智能照明应用成形。

  刘尚淳分析,ZigBee网状网路的设计概念非常好,甚至其标准组织还针对智能照明的应用量身打造ZigBee Light Link标准,然而,其一直以来的市场发展却陷入牛步,主要塬因就是缺乏与外部通讯网路连结的能力,导致系统厂缩手投资或持观望态度。也因此,ZigBee与Wi-Fi融合设计正逐渐走红,进而牵动照明应用通讯芯片的设计转变。

  然而,由于智能照明灯具必须在塬先的灯泡尺寸中,再加入LED驱动器、微控制器(MCU)、交流对直流(AC-DC)转换器及有线/无线收发器,因此设计空间相当局限,若要在通讯芯片内同时支援ZigBee与Wi-Fi通讯协定,势必要改搭系统级封装(SiP)技术,以实现更微型化的芯片设计。

  着眼于此,刘尚淳透露,鉅景正致力扩充ZigBee加Wi-Fi的SiP模组产品阵容,同时将针对智能照明的应用开发各种加值软体,将有助推升照明市场对智能照明系统的接受度。此外,为满足各国市场不同需求,该公司还计画将产品触角拓展至更多元的无线通讯芯片堆叠设计,包括Wi-Fi加蓝牙 (Bluetooth)、Wi-Fi加近距离无线通讯(NFC)等。

  除了无线技术相互融合外,有线与无线技术的结合在智能照明应用领域亦备受瞩目,SiP方案供应商和无线通讯芯片业者正酝酿结合有线电力线通讯(PLC)与ZigBee方案,以减轻系统整合商大举扩张无线节点的高成本,并增加智能照明系统布建灵活性。

  图6 高通创锐讯资深业务发展经理任威强调,802.11ah将与802.11ac、Miracast组成更强大的Wi-Fi生态系统。

  高通创锐讯(Qualcomm Atheros)资深业务发展经理任威(图6)表示,PLC在北美、欧洲等先进国家的数位家庭应用市场已行之有年,儘管该技术的渗透率不如乙太网路 (Ethernet)等解决方案普及,但近来各种家用嵌入式系统智能化浪潮兴起,加上Gbit/s传输速率等级的芯片已蓄势待发,PLC可望捲土重来,全面进驻家庭。

  任威认为,智能照明即是PLC较佳的切入点,塬因在于照明控制可望与智能电网或家庭智能能源管理系统整合,形成庞大的家庭异质网路,在各个应用环节中将存在不同的有线或无线技术,且系统须因应资料容量无缝切换高/低速传输机制以节省功耗;对此,PLC在国际电机电子工程师学会(IEEE)1905.1标准的推波助下,可望跃居串连家庭异质网路的核心角色,重要性与日俱增。

  据悉,AT&T、中国电信及欧洲主要电信商正密集布建家庭PLC网路。其中,AT&T可望于今年底正式扩大采购,而中国电信则将于 2014年决定采行HomePlug或G.hn标准,至于欧洲电信商则已开始投入HomePlug PLC网路建置,足见PLC在智能家庭的带动下已逐渐翻红。

  另一方面,Wi-Fi也藉由在行动装置市场建立的稳固基础,开始扩张智能家庭的应用版图,特别是近期已开始商用的高速802.11ac规格,以及正逐渐萌芽的中长距离802.11ah新标准,均将在未来的智能家庭影音串流或家电控制领域占有一席之地。

  任威强调,802.11ac首度将无线通讯速率推升至媲美Gbit/s有线方案的层级,有助打破以往802.11n的限制,让智能家庭应用展现更多创意 (图7)。至于新一代的802.11ah标准部分,IEEE已于2013年7月提出第一版标准草案,2014年将再发布更完整的版本,并可望于2015年正式底定规范;其采用Sub-GHz频段,仅须1-1.5伏特(V)的电压运作,并支援约2.5公里的中长距离传输范围,势将掀动新的无线网路技术大换潮。

  任威也透露,高通创锐讯将于2014-2015年抢先发表802.11ah芯片,以配合802.11ac、HomePlug AV2等高速通讯方案,持续壮大该公司在感测器网路(Sensor Networking)及物联网(IoT)市场的实力。

  畲庆威提到,许多照明大厂已将微机电系统(MEMS)、CMOS影像感测器(CIS),甚至是手势辨识等感测机制纳入智能照明系统设计的一环;而 Panasonic更提出LED光通讯的概念,可结合手机的全球卫星定位系统(GPS),提供室内导航的创新应用,在在可望掀动另一波庞大智能照明市场商机。

  资策会智通所研发协理蔡坤成(图8)则表示,智能照明概念将快速延展至情境照明等更加人性化的使用模式,以及大规模道路照明管理层面,因此搭配感测器依环境变化调整照度、色调的设计已势不可当。目前照明系统整合商在感测器的选择上,多以低成本的红外线感测器为主,亦有厂商选用微波感测器、MEMS加速度计,动态调整灯光。

  图8 资策会智通所研发协理蔡坤成提到,感测器对智能照明系统设计成败影响重大,系统厂必须依建置环境慎选感测方案。

  蔡坤成透露,近来台湾公家机关与资策会已成功推行停车场及道路智能照明应用,可协助管理单位即时诊断LED照明设备是否故障,并透过PLC路由器(Router)统一管理,进而缩减维运人力开支。

  安提亚科技总经理吴定丰(图9)补充,要完整发挥智能照明的自动化控制、通讯功能及感测系统价值,还须搭配智能插座、云端控制器与用户操作平台。因此,安提亚已透过独家iPLC控制器专利,利用现行的宽频PLC技术基础,实现更能适应家中复杂通讯环境且具备配线弹性的智能照明网路架构,且数位调光功能可达到1%的电流控制精准度。

  图9 安提亚科技总经理吴定丰指出,智能照明已成市场大势所趋,台湾照明产业上下游供应链业者须加紧展开卡位。

  吴定丰认为,无线方案虽有便利性,但网路布建成本一定高于有线架构,对初期智能照明进驻家庭极为不利,因此低成本且具灵活性的PLC方案才是快速扩大智能照明市场规模的利器。目前该公司的iPLC方案正大举在商用智能照明市场攻城掠地,包括高雄国际贸易厅、各种商办大楼及会议室均可见其踪迹,未来则计画进军消费性家用市场。

  无庸置疑,智能照明发展已明显增温,据市场研调机构NPD DisplaySearch最新报告指出,智能照明市场产值将于2013年达到9,100万美元的规模,并将于2014年翻倍成长至2亿5,000万?3 亿美元,发展到2019年更将上看14亿7,100万美元的规模(图10),无疑为LED照明供应链创造出新的蓝海市场。