結合 PoE 與低功耗藍牙，以符合成本效益的方式實作智慧照明基礎架構

智慧照明將高效且持久的 LED 與無線連線能力結合在一起，能讓大樓管理者進行照明客製化，以配合入住情況並將能源使用量降到最低。在新建築物中安裝智慧照明相對簡單，反之，對現有建築物進行改造不僅複雜也昂貴許多。既有物業的大樓管理者正在尋找價格更低廉的替代方案，以便享受照明技術進展的優勢。

有個簡單且符合成本效益的替代方案，就是在現有的乙太網路中增添乙太網路供電 (PoE) 功能，即可供電給 LED。但缺點是乙太網路較不適合連接智慧照明，因為其原訂用途是在電腦間頻繁傳輸大量的資訊，而非偶爾傳輸少量資料以控制和配置智慧照明。

解決辦法是結合 PoE 與低功耗藍牙 (BLE) 連線能力，用智慧型手機進行無線配置及控制。此短程 RF 標準已廣泛用於智慧照明，而且非常重要的是，此標準能與智慧型手機互通。互通性可確保使用手機上的應用程式直接控制照明，而無需使用昂貴、自行研發的使用者介面。

本文將介紹 PoE、解釋 PoE 型 LED 照明基礎架構的優點，並說明設計人員如何實作 PoE LED 照明解決方案。接著會以 Maxim Integrated、STMicroelectronics 及 ON Semiconductor 的 PoE + BLE 公版設計和評估套件為例，說明如何使用 BLE 來實作網路的無線配置與控制。

PoE 簡介

原始的 PoE 技術 (IEEE 802.3af “Type 1”) 能為每個裝置提供標稱功率為 15.4 W 的 DC 電力 (最低 44 VDC 和 350 mA)。此技術使用乙太網路常用的 RJ45 連接器和 Cat5 纜線。

電力可透過乙太網路纜線中未使用的導線傳輸，此為「替代方案 B」，或透過纜線的數據導線傳輸，方法是對每個不會干擾纜線差動訊號數據傳輸的對組施加共模電壓，此為「替代方案 A」。

IEEE 802.3af 界定兩種類型的 PoE 裝置，即供電設備 (PSE) 和受電裝置 (PD)。PSE 從本身的常規電源供應器取得電力，然後會對透過乙太網路纜線網路傳送到 PD 的電力進行管理；PD 再從 PoE 取得所需的電力。IEEE PoE 標準針對 PSE 和 PD 之間的訊號傳輸進行規範，讓 PSE 得以偵測合規裝置。PSE 會在導線上施加 2.8 V 至 10 V 的 DC 電壓，並藉著測量迴路電流，判斷是否連接 PD。PD 搭配 120 nF 的並聯電容量時，應呈現 19 KΩ 至 27 KΩ 的電阻性負載。一旦偵測到 PD，PSE 和 PD 會針對需求或可用的電力量進行「交涉」。

有越來越多裝置需要的功率比原始標準的 15.4 W 更高，為迎合此趨勢，2009 年推出 “PoE+” (IEEE 802.3at “Type 2”)。此技術能為 PD 供應高達 25.5 W 的標稱功率。PoE+ 電流從原始標準的 350 mA 增加到 600 mA。如需進一步瞭解 PoE 和 PoE+，請參閱 DigiKey 技術文章《乙太網路供電簡介》。更新版本的 IEEE 802.3bt “Type 3” 和 “Type 4”，能分別供應 60 W 和 90 W 標稱功率，以及 600 mA 和 960 mA 標稱電流。

中跨 PoE 設計實作

PSE 要不位於交換機／集線器的端跨中，要不實作為中跨。端跨 PSE 通常位於乙太網路交換機內，中跨 PSE 則是個「供電器」，位於普通乙太網路交換機和 PD 之間的某處，透過網路佈線來供電，不會影響資料的傳輸。若能在中跨內安裝 PSE，即可將 PoE 引進到舊式網路，否則以支援 PoE 的新型號取代現有的乙太網路交換器會非常昂貴。

在 PoE 中跨實作中，可透過未使用的乙太網路對來直接配電。正 PoE PSE 輸出 (V+) 會連接到電線 4 和 5，負 PSE 輸出 (V-) 會連接到電線 7 和 8。在此配置下，電力對與原始訊號對彼此分離，後者會直接通過 PoE 中跨供電器。此實作的配置使用 Maxim Integrated 的 MAX5969 單通道 PD 控制器和 MAX5980 四通道 PSE 控制器 (圖 1)。

圖 1：PoE 中跨實作透過 Cat5 乙太網路纜線中先前未使用的電線來傳輸電力。(圖片來源：Maxim Integrated)

MAX5969 為符合 IEEE 802.3af/at PoE 系統標準，提供完整的 PD 介面。此裝置為 PD 提供偵測簽章、分類簽章，以及具有湧入電流控制的整合式隔離電源開關。MAX5969 的運作模式依輸入電壓而定，共有四種運作模式：PD 偵測、PD 分類、標示事件和 PD 功率模式。輸入電壓介於 1.4 V 至 10.1 V 時，裝置會進入 PD 偵測模式，介於 12.6 V 至 20 V 時，則會進入 PD 分類模式。一旦輸入電壓超出 V_ON (35.4 V)，裝置會進入 PD 功率模式。

MAX5980 四通道 PSE 控制器針對 IEEE 802.3af/at PoE PSE 實作而設計。此裝置提供 PD 探索、分類、電流限制和負載斷開偵測，並提供四種運作模式：

• 自動模式 - 裝置無需使用任何軟體即可自動以預設值運作
• 半自動模式 - 會自動偵測並分類接到連接埠的裝置，但除非軟體指示，否則不會對連接埠供電
• 手動模式 - 能用軟體對裝置達到全面控制，系統診斷時很有幫助
• 關機模式 - 會終止所有活動，並安全地關閉輸往連接埠的電力

Maxim 提供 MAX5980EVKIT 評估套件 (EK)，可搭配 MAX5980 進行開發工作。此評估套件具備乙太網路四埠 PSE 電路，由 MAX5980 PSE 控制器和四個 N 通道功率 MOSFET 組成，可用於 -48 V 或 -54 V 電源供應器。。此評估套件分別為四個乙太網路輸出埠實作一個獨立的電力通道，並可讓工程師針對這些通道運用 PSE 控制器的完整功能。工程師可設定運作模式和高功率模式 (可編程高達每埠 30 W)，而且能透過 I²C 介面、PD 偵測、PD 分類、過電流和過壓／欠壓保護、電流折返和 DC 斷開監測，來試驗連接埠電流資訊。

配置可透過與電腦相容的軟體來完成，且能以位元層級存取每個暫存器 (圖 2)。

圖 2：MAX5980 評估套件包含與電腦相容的軟體，能輕易配置由 PSE 控制器監測的四個連接埠。(圖片來源：Maxim Integrated)

增添 PoE 型 LED 照明

除了不必安裝新的智慧照明接線外，PoE 連接式照明的主要優點在於降低 LED 泛光燈的電源供應器複雜性。

LED 泛光燈連接到 PoE 插槽後，可當作受電裝置 (PD)，直接從網路汲取經過調節的乾淨 DC 電力，無需使用主功率調節級，將 AC 轉換成 DC 以及讓主電源降壓。但是，PoE 的 44 VDC 標稱電源不適合直接供電給 LED，因此應該在電源與燈之間安裝 LED 驅動器。LED 驅動器能調節輸入，轉換成 LED 需要的恆定電流與恆定電壓。

在針對 PoE 運作設計的 LED 驅動器中，Maxim Integrated 的 MAX16832 是個很好的範例。此裝置是降壓恆定電流高亮度 LED 驅動器，電壓輸入範圍介於 6.5 V 至 65 V，可提供高達 1 A 的恆定輸出電流，準確度為 ±3%。專屬的脈寬調變 (PWM) 輸入，能在寬廣的亮度範圍內進行脈衝式 LED 調光。切換頻率為 2 MHz，因此能使用較小的磁性元件。使用 45 V 輸入來驅動五個串聯 LED 時，宣稱效率大約為 95%。類比熱折返特點可在 LED 燈串溫度超過指定點時，減少 LED 的電流。圖 3 顯示 MAX16832 的典型應用電路。

圖 3：MAX16832 高亮度 LED 驅動器應用電路。此驅動器適合 PoE LED 照明應用。(圖片來源：Maxim Integrated)

結合 PoE 型 LED 照明與 BLE

LED 可以精準調光、立即開啟或關閉，並可設定為提供多種溫度和顏色變化。連線功能可讓消費者輕鬆享用此調應能力。若將乙太網路直接用於連接智慧照明，這雖然可行，但是會很複雜，因為網路的用途是在電腦之間頻繁傳輸大量的資料，而不是偶爾在 LED 燈之間傳輸少量的資料。

相較之下，BLE 則是滿足智慧照明連線要求的理想選擇。主要的優點包括可在長達 100 公尺的範圍內以節能方式傳輸少量資料；龐大的廠商生態；能與智慧型手機互通，因此不需使用額外的使用者介面就能配置與控制；以及網狀網路能力，以便立即控制特定的燈或燈組。如需進一步瞭解藍牙網狀網路，請參閱 DigiKey 技術文章《使用藍牙網狀網路設計低功耗藍牙智慧應用》。

為 PoE LED 燈增添 BLE 並不容易，但由於好處顯而易見，值得一試。如需進一步瞭解如何使用 BLE 進行設計，請參閱 DigiKey 技術文章《藍牙 4.1、4.2 和 5 相容的低功耗藍牙 SoC 與工具能克服物聯網挑戰》。此外，多虧晶片廠商的公版設計和評估套件，PoE 型無線連線智慧照明的原型開發已變得簡單許多。

其中一例就是 STMicroelectronics 的 STEVAL–POEL45W1，此 PoE 公版設計具有 BLE 連線能力。此公版設計採用該公司的 PM8805 PD PoE 介面 (符合 IEEE802.3bt)、能取得高達 3 A 電流的 LED 驅動器，以及 BLE 模組。此公版設計還提供 45 W 的功率輸出。

此公版設計隨附的韌體 STSW-POEL45FW，能與 PoE 照明 Android 應用程式通訊，如此即可控制韌體所產生的 500 Hz 脈寬調變 (PWM) 工作週期，來管理 LED 驅動器的開關模式及調光。設計人員還可以自由開發應用程式軟體，以加強 LED 的無線配置和控制，並使用該公司的 STSW-BNRG1STLINK 公用程式對 BLE 晶片進行編程。

ON Semiconductor 則提供 LIGHTING-1-GEVK 連網照明平台。此產品以幾片插入式評估板組成，支援雙 LED 驅動器、LED 照明及 BLE 功能，能打造成具備無線連線能力的完整商用照明解決方案。預設的電源供應器是 AC/DC 轉換器，但該公司也提供 PoE 電源供應器 LIGHTING-POWER-POE-GEVB (圖 4)。

圖 4：ON Semiconductor 的 PoE 電源供應器可搭配自家的連網照明平台使用，讓 LED 泛光燈轉變成符合 IEEE 802.3af/at/bt 的受電裝置。(圖片來源：ON Semiconductor)

此 PoE 電源供應器的核心，是該公司的 NCP1096PAR2G PoE PD 控制器。晶片將 LED 泛光燈轉換成符合 IEEE 802.3af/at/bt 的 PD。NCP1096 可內部通道電晶體支援高功率應用 (高達 90 W)。

要將連網照明平台與 PoE 電源供應器搭配使用，需要將 PSE 中跨供電器連接到電源供應器的輸入。ON Semiconductor 建議使用 Phihong 的 POE90U-1BT-2-R 中跨供電器，其可從 100 V 至 240 V 的輸入，供應高達 90 W 的功率，電壓為 56 V。

將 PSE 中跨供電器插入 PoE 電源供應器輸入後，只需將 LED 驅動器連接到電源供應器輸出、將 LED 連接到驅動器輸出，並將 BLE 連線模組連接到 LED 驅動器的連接器，便能構成完整的 PoE 型無線連線硬體系統。

連網照明平台的韌體開發，是透過該公司的藍牙 CMSIS 軟體開發套件 (SDK) 完成，此設計工具可在多種整合式開發環境 (IDE) 中執行。韌體可在　FressRTOS 中執行，而此即時作業系統隨附在 CMSIS SDK 中。安裝到 IDE 後，SDK 便能讓設計人員試驗下列 BLE 服務：

• 照明控制服務：連線裝置可利用此服務來讀取和變更連線 LED 燈串的狀態。
• 遙測服務：向連接的裝置揭露平台測量的變數。這些變數包括流經各個 LED 驅動器的電流和系統電壓。
• PoE 電力傳輸服務：能讓對等裝置擷取有關 PoE 對裝置施加的功率限制資訊，而這些限制是 PoE 供電器和平台之間交涉得來。

藍牙 CMSIS SDK 中包含了許多範例應用，可輕鬆匯入到 IDE 工作空間中，再從該處移植到連網照明平台中的 BLE 晶片 (圖 5)。

圖 5：ON Semiconductor 的藍牙 CMSIS SDK 中包含範例照明應用，可搭配該公司的連網照明平台使用。(圖片來源：ON Semiconductor)

此連網照明平台還附有相關的智慧型手機應用程式 RSL10 Sense and Control，相容於 iOS 及 Android 智慧型手機。下載到智慧型手機後，應用程式會提示開發人員將應用程式與連網照明平台配對。然後，開發人員就可在應用程式中執行以下操作：

• 顯示測量的 LED 通道電流和系統電壓遙測資料
• 單獨設定每個 LED 通道的 PWM 工作週期 (進而控制調光)
• 針對 PoE PD 控制器與 PSE 之間交涉的功率限制，顯示相關資訊 (圖 6)

圖 6：ON Semiconductor 的 Sense and Control 應用程式，提供來自連網照明平台的配置和效能資訊。(圖片來源：ON Semiconductor)

結論

智慧照明將高效持久的 LED 與無線連線能力的便利性結合在一起。比起升級現有的基礎架構，目前有一種簡單、具成本效益的替代方案，就是在商用乙太網路上實作 PoE，以供電給 LED 燈、增添 BLE 連線能力，並透過智慧型手機進行無線照明配置與控制。

雖然設計 PoE 型無線智慧照明並不容易，但已有許多成熟的 PoE PSE 和 PD 解決方案、一系列與 PoE 相容的 LED 驅動器以及 BLE，在設計時已將智慧照明納入考量。此外，如果原型設計是以現成的 PoE + BLE 評估套件為基礎，而且範例韌體是來自於晶片供應大廠，就能簡化開發過程。