スマート ビルディング アプリケーションでは、照明はインフラストラクチャの基本的な機能です。スマート照明制御によって達成される省エネと効率の目標に加えて、可視光通信 (VLC) テクノロジにより屋内測位とデータ伝送が可能になり、スマート照明と接続の統合ソリューションが提供されます。この記事では、VLCテクノロジの開発と、オンセミコンダクターが提供する関連ソリューションについて紹介します。
高効率で管理しやすいスマート照明ソリューション
スマート ビルディングは、IoTデバイス間の通信と相互作用を可能にするインテリジェント ネットワーク システムに基づいています。インターネットを通じて、住宅や商業ビル内のさまざまな電子機器のリモートセンシング、制御、自動化プログラミングが可能になります。たとえば、住宅所有者は休暇中にスマートフォン、タブレット、またはパソコンを使用して、セキュリティ システムを起動したり、温度を制御したり、電化製品のオン/オフを切り替えたり、照明を調整したり、ホーム シアターを設定したり、その他のエンターテイメント システムを操作したりできます。
スマート ビルディングを実装するには、特定の基本要件を満たす必要があります。デバイスは一定レベルのインテリジェンスを備え、相互接続され、クラウドに接続されている必要があります。主な機能から新しいアプリケーションを派生させる機能（例：スピーカーを使用してアラートを再生する）を備え、既存のインフラストラクチャ上に新しいデバイス、アプリケーション、およびサービスを追加できるようにする必要があります。
住宅用、商業用、工業用のいずれの目的であっても、建物には内部照明が必要です。今日、建物内の照明システムは、効率的かつ省エネになる可能性があります。従来の白熱電球やハロゲン電球は、ほとんどがLED照明に置き換えられました。しかし、照明の電源や使用方法は大きく変わっていません。照明を設置する従来の方法では、照明器具を設置する予定の場所に電源ケーブルを敷設します。ただし、主電源はAC (交流) ですが、LEDにはDC (直流) 電源が必要です。この場合、AC電源を整流するためのトランスの使用と、トランスからの整流されたDC出力をダウンコンバートするための追加のDC-DCコンバータの使用が必要になります。
DC電源を照明器具に直接配線し、個々の部屋に照明を提供するだけでなく、照明器具を他の用途にも活用できるとしたらどうなるか想像してみてください。実際、照明器具は照明以外にもさまざまな機能を提供できます。たとえば、照明装置に温度、湿度、画像用のセンサーを追加することで、部屋の温度、湿度、占有状況を監視できるようになります。これらのソリューションに有線または無線接続を追加することで、エンドユーザーはクラウド内のすべての関連情報を追跡し、リアルタイムで調整できるため、効率、快適性、セキュリティが向上します。これらのデバイスはすべて相互接続されており、スマート ビルの最適な運用を保証するために管理できます。さらに、個々の照明器具を相互接続して照明システムに統合する方法を考慮すると、建物管理システム内で照明の自動化を実現できます。
ただし、前述の機能を実現するには、センサーに必要なDC電源と照明器具への信頼性の高いデジタル接続を提供するという課題に対処する必要があります。エネルギー効率の高い建物では断熱材や厚い壁が多用されるため、ワイヤレス技術は除外できます。現代のスマート ビルディングでは通常、Cat5またはCat6イーサネット ケーブルが標準構成としてすでに設置されているため、Power over Ethernet (PoE) は有望なソリューションです。主電源ケーブルの代わりにイーサネット ケーブルを照明器具に配線すると、センサーと照明器具への接続 (選択した速度で) と電力供給 (PoEを使用) の両方が可能になります。
可視光通信（VLC）は屋内測位とデータ伝送の課題に対処します
一方、VLCテクノロジーは、屋内測位やデータ伝送などの機能を可能にします。名前が示すように、VLCは通信に無線周波数 (RF) ではなく光を利用します。データは変調された光に変換され、受信機に送信されます。変調された光は、受信側の画像センサーまたはフォトダイオードによって捕捉され、デジタル信号に変換され、その後、システムのマイクロコントローラによって処理されます。
実際、VLCは新しい技術ではなく、その歴史は1880年代にまで遡ります。しかし、光源の安定性が不十分であるなどの要因により、VLC技術は大きな発展を遂げませんでした。LEDテクノロジーの最新の進歩により、VLCの適用性と効率性が復活しました。新しいLED技術により、照明と通信の両方に同じLEDを簡単に使用できるようになり、個別の通信インフラストラクチャが不要になります。VLCでは、専用の通信ノード、アクセス ポイント、ビーコンのインストールや展開は必要ありません。代わりに、既存の照明器具に統合することができます。
可視光をデータキャリアとして使用すると、情報アクセス ポイントまたはブロードキャスト ポイントを既存の照明インフラストラクチャに統合できるため、設置コストと複雑さを軽減できるという大きな利点があります。深い変調深度を必要とせず、安定した平均輝度レベルを維持する変調技術を採用することで、ユーザーが期待する照明レベルを維持できます。数kHzを超える変調周波数で動作することにより、データ ストリームは人間の目にはまったく見えなくなります。
もちろん、光通信が無線周波数 (RF) 通信に取って代わることは決してありません。これは、多くのユースケースで共存し、さらには連携してアプリケーションで最良の結果を達成できる補完的なテクノロジーです。VLCの主な用途の1つは、産業環境における屋内測位システムです。このシステムでは、荷物やフォークリフトなどの資産の位置を識別するためにこのテクノロジが使用されます。各LEDドライバーに建物内の位置を示す固有の識別子を埋め込むことにより、LEDドライバーは可視光を介して受信機に信号を発信します。受信機はコードを検出して位置を計算することができ、センサーカメラモジュールまたはフォトダイオードを使用できます。
最も単純な形式では、モバイル ユニットに事前にプログラムされたフロア プランを設定できます。フロア プラン データベースには、一意のIDと照明器具の位置が含まれており、照明器具は一意のIDを継続的に送信します。モバイルユニット上の光学センサーまたはカメラモジュールはIDをキャプチャし、アプリケーションを通じて三角測量を実行してモバイルユニットの位置を特定できます。これにより、3次元すべてにおいて10 ～ 15センチメートルの範囲で現場での精度を実現できます。
照明器具デザイナーにワンストップソリューションを提供
現在、市場にはさまざまなタイプのコネクテッド照明器具が存在します。ただし、既存のソリューションのほとんどは、通常、データ接続に別個のLEDドライバICとPoEコントローラを使用します。Onsemiが提供する革新的なソリューションはNCL31010です。これは両方のデバイスを1つのパッケージに統合し、個々の照明器具を他の多くの機能を実行する機能を備えた完全に相互接続された管理可能な照明システムの不可欠な部分にします。
NCL31010デバイスは、PoEを通じて90Wを超える電力を供給でき、マイクロコントローラとセンサーに電力を供給するための2つの補助DC-DCコンバーターが含まれています。このデバイスの重要な革新の1つは、VLCへの応用です。これは、個別のLEDドライバーとPoEコントローラーを必要とする従来の照明システムでは実現できません。これには、LEDライトに直接 (目に見えない) データを変調して、Yellow Dot™ などの屋内測位システムの位置ビーコンとして機能させることが含まれ、屋内測位アプリケーションにおける他のワイヤレス システム (GPS、Wi-Fi™ など) の大幅な精度制限を克服します。
電源および接続ソリューションとしてPoEを実装することにより、LED照明器具の機能は建物内部の単純な照明を超えます。これにより、照明器具はさまざまな他のインテリジェント機能をサポートできるようになり、ビルの自動化の実現が容易になります。NCL31010は照明器具設計者向けのワンストップ ソリューションとして機能し、電力と接続の要件を包括的に管理します。
高度に統合された多機能LEDドライバー
NCL31010は、VLC (50kHz帯域幅) や屋内測位機能など、照明システムの接続と管理に必要なすべての要素を統合したPoE対応LEDドライバです。IEEE802.3bt/at/af規格に準拠していることが認定されており、90Wを超えるシステム電力を供給できます。
NCL31010は、高帯域幅アナログとゼロ電流までのPWM調光をサポートする高効率の降圧LEDドライバ (97%) を備えています。システム マイクロコントローラとセンサーに電力を供給するための2つの補助DC-DCコンバーターが含まれており、入力および出力電流と電圧、LEDまたはシステム温度、およびDC-DC電圧と電流を監視するための高精度測定 (±1%) と診断機能を提供します。NCL31010には、2.5V ～ 24Vに調整可能な3.3V降圧コンバータも統合されており、I2CまたはSPIシリアル インターフェイスのいずれかをサポートします。
NCL31000シリーズには、他の通信規格に対応する非PoEバージョンのNCL31000と、マルチチャネル ソリューションをサポートする機能制限バージョンのNCL31001が含まれています。NCL31000シリーズは、相互接続されたLED照明、可視光通信、屋内測位に応用されており、一般的な最終製品には、スマートLED照明器具、管理されたLED照明システム、マルチチャネルLED照明などがあります。
結論
スマート照明はスマートビルディング アプリケーションの基盤として機能し、PoEおよびVLCテクノロジと組み合わせることで、導入コストを大幅に削減し、多くの新しいアプリケーションへの扉を開き、現在のRFテクノロジ実装のいくつかの制限を克服することができます。Onsemiの高度に統合された効率的なLEDドライバを使用すると、拡張された情報および位置決めサービスのための貴重な追加テクノロジが提供され、スマート照明アプリケーションに最適なソリューションになります。