本文介紹了可用于控制工業環境中智能照明系統的協議，從ISM頻段設備到WirelessHART，Zigbee和WiFi。

工業環境照明系統越來越多地利用無線技術來提高效率和降低成本。將智能的網絡控制器添加到照明中可以通過在不需要的時間和地點關閉燈來實現資源的最佳利用，有時與中央控制系統協調，降低功耗并減少電費。

這些無線節點需要在物料清單，功耗和持續維護方面具有成本效益。降低節點的功耗不僅削減了電費，這在具有數百甚至數千個燈的工業環境中可能是重要的，而且還允許節點通過電池更長時間地供電。這降低了維護的成本和復雜性，并且允許節點容易地改裝到照明系統，而不是必須直接插入主電源。進一步降低功率可以使能量收集技術從環境中捕獲能量并將節點的壽命延長到許多年，這是具有長壽命的工業系統的關鍵要求。

有一系列適用于連接工業環境照明的協議，符合現有的工業控制協議。 Zigbee位于全球未經許可的2.4 GHz頻段，提供單芯片收發器生態系統，集成了一個控制器，可用于本地控制，如溫度傳感。這些在網狀網絡中使用，以便每個節點可以用作與最近鄰居的連接，而不必跨越整個設施。這意味著可以降低發射功率以降低功耗，這種方法適用于通過整個網絡發送少量數據的工業照明。

對于低成本的本地化實施，在1 GHz以下的較低ISM范圍內有許多不同的頻段，可以在較低的數據速率下提供更長的覆蓋范圍。 Atmel AT86RF231分集板展示了符合Zigbee 802.15.4標準的2.4 GHz無線電收發器和高性能AVR微控制器的功能，可作為全功能網絡節點，可由兩節AAA電池驅動一年多。兩個陶瓷芯片天線在具有多徑衰落效應的典型室內場景中增加了鏈路預算。

圖1：Atmel AT86RF231分集板。

電路板主要由兩部分組成：微控制器ATmega1281V和無線電收發器AT86RF231。微控制器控制符合802.15.4標準的無線電收發器，并用作SPI主控制器。收發器處理有關RF調制/解調，信號處理和幀接收的所有802.15.4動作。

圖2：Atmel AT86RF231分集板的兩個部分。

收發器中實現了幾種MAC硬件加速功能，支持通過使用兩個天線作為天線分集系統來增加多徑環境中的鏈路預算的能力。天線切換可以配置為由收發器自動處理。

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

對于工業照明系統的自主操作，電路板可由兩節AAA電池供電，電池由電路板背面的電池夾固定。微控制器軟件負責系統的適當睡眠/喚醒周期，以達到電池的可靠壽命。

收發器包含發送和接收符合802.15.4標準的調制2.4 GHz信號所需的所有RF關鍵組件，外部組件減少為去耦電容和晶體。差分100ΩRF信號由平衡 - 不平衡轉換器轉換為單端50Ω信號，并通過RF開關（U5）路由至天線。

兩個陶瓷芯片天線以正交配置放置在電路板頂部。這導致空間和極化的多樣化并且可以大大減少多徑衰落效應。收發器可以配置為通過寄存器設置選擇天線，或者根據接收信號自動選擇天線。

在工業環境中，將智能照明連接到工業控制系統可能具有優勢，其中一些使用HART協議WirelessHART。 Atmel部件也支持這一功能，以便與更廣泛的控制系統集成。

另一種選擇是恩智浦的JN5148-001。這是一款超低功耗，高性能的無線微控制器，針對工業自動化的JenNet和ZigBee PRO網絡應用。該器件采用增強型32位RISC處理器，通過可變寬度指令，多級指令流水線和具有可編程時鐘速度的低功耗操作提供高編碼效率。它還包括一個2.4 GHz IEEE802.15.4兼容收發器，128 kB ROM，128 kB RAM，以及豐富的模擬和數字外設組合。大內存占用允許設備運行網絡堆棧，例如ZigBee PRO或專有JenNet協議，以及嵌入式應用程序或協處理器模式。工作電流低于18 mA，允許直接從紐扣電池進行操作。

圖3：恩智浦JN5148-001集成Zigbee收發器。

增強型外設包括在睡眠模式下運行的低功耗脈沖計數器，專為AMR應用中的脈沖計數而設計，以及獨特的飛行時間測距引擎，可在無線傳感器網絡上實現精確的定位服務。它還包括一個四線I2S音頻接口，可直接連接主流音頻編解碼器，以及傳統的MCU外設。

無線傳輸數據的應用程序往往比有線數據更復雜，無線協議對頻率，數據格式，數據傳輸時間，安全性和其他問題提出了嚴格的要求。除產品功能和用戶界面外，應用程序開發還必須考慮無線網絡的要求。為了最大限度地降低這種復雜性，恩智浦提供了一系列軟件庫和接口，用于控制JN5148的收發器和外設。這些庫和接口使開發人員無需了解無線協議，并大大簡化了電源模式，中斷和硬件功能的編程復雜性。

收發器包括2.45GHz無線電，調制解調器，基帶控制器和安全協處理器以及用于控制諸如功率放大器的外部設備的發送 - 接收切換的輸出。這允許構建需要增加發射功率的應用以提供更多范圍或應對工業環境中更惡劣的無線電環境。

對于工業無線照明控制系統，成本可能是一個相當大的因素，并且可能無法使用標準協議。 ADI公司的ADF7021等器件采用更簡單的2FSK/3FSK/4FSK調制，可提供高性能，低功耗，高度集成的收發器。它設計用于窄帶，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送數據濾波選項，可提高窄帶應用的頻譜效率。它適用于針對歐洲ETSI EN 300 220，日本ARIB STD-T67，中國短程設備法規以及北美FCC第15部分，第90部分和第95部分監管標準的電路應用。

圖4：ADI公司的ADF7021 ISM收發器。

可以使用少量外部分立元件構建完整的收發器，使ADF7021適用于對價格敏感且對區域敏感的應用。

片上FSK調制和數據濾波選項的范圍使用戶可以更靈活地選擇調制方案，同時滿足嚴格的頻譜效率要求。 ADF7021還支持在2FSK/3FSK/4FSK之間動態切換的協議，以最大化通信范圍和數據吞吐量。

發送部分包含雙壓控振蕩器（VCO）和低噪聲小數N分頻PLL，輸出分辨率《1 ppm。 ADF7021具有使用內部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設計允許雙頻帶操作，其中用戶可以以內部電感器VCO支持的任何頻率發送和/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送和/或接收。

頻率捷變PLL允許ADF7021用于跳頻擴頻（FHSS）系統。兩個VCO的工作頻率都是基頻的兩倍，以減少雜散發射和頻率牽引問題。

變送器輸出功率可在-16 dBm至+13 dBm范圍內以63步進行編程，并具有自動功率斜坡控制功能，可防止頻譜飛濺并有助于滿足法規標準。收發器RF頻率，通道間隔和調制可使用簡單的三線接口進行編程。

接收器采用低IF架構（100 kHz），可最大限度地降低功耗和外部元件數量，同時避免低頻時的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，允許用戶根據應用的不同，將接收器靈敏度和選擇性與電流消耗進行權衡。

接收器還具有正在申請專利的自動頻率控制（AFC）環路，具有可編程引入范圍，允許PLL跟蹤輸入信號中的頻率誤差。使用正在申請專利的IR校準方案，無需使用外部RF源，接收器可實現56 dB的鏡像抑制性能。

片內ADC提供集成溫度傳感器，外部模擬輸入，電池電壓和RSSI信號的回讀，可在某些應用中節省ADC。對于使用915 MHz ISM頻段的無線照明控制系統，Silicon Labs開發了一個完全集成的混合信號片上系統微控制器和收發器，其工作頻率范圍為240 MHz至915 MHz，即Si1010。

圖5：Silicon Labs的Si1010開發板。

憑借片上上電復位，VDD監視器，看門狗定時器和時鐘振蕩器，Si1010可以獨立提供簡單的系統開發。閃存可以在線重新編程，提供非易失性數據存儲，并允許8051固件的現場升級。用戶軟件可以完全控制所有外設，并可以單獨關閉任何或所有外設以節省功耗。在-40至+ 85°C的溫度范圍內，每個器件的工作電壓為0.9至1.8 V，0.9至3.6 V或1.8至3.6 V，適用于工業應用。

圖6：Si1010單芯片ISM收發器。

收發器極低的接收靈敏度（-121 dBm）與業界領先的+20 dBm輸出功率相結合，可確保擴展范圍和改善的鏈路性能。內置天線分集和跳頻支持可用于進一步擴展范圍和增強性能。先進的無線電功能包括240-960 MHz的連續頻率覆蓋，156 Hz或312 Hz步長，可實現精確的調諧控制。其他系統功能，如自動喚醒定時器，低電池檢測器，64字節TX/RX FIFO，自動數據包處理和前導碼檢測，可降低總體電流消耗。

收發器的數字接收架構具有高性能ADC和基于DSP的調制解調器，可執行解調，過濾和數據包處理，從而提高靈活性和性能。直接數字發射調制和自動PA功率斜坡確保精確的發射調制和減少的頻譜擴展，從而確保符合全球法規。

工業照明系統無線連接協議的范圍為設計人員提供了一套靈活的選擇，以滿足特定設施的成本和功率要求。能夠輕松地將無線節點集成到工業照明配件中，或者將節點改裝到現有配件上，采用非常不同的方法，并且在這些情況下，不同的協議可能是適當的。