将第 1 部分 的概念放在一起,我们希望支持低压建筑规范,我们需要 1 美元的微处理器来管理 LED 电流驱动器,并且我们希望以 99.999%(五个 9)的可靠性进行通信。
无线和电力线通信的可靠性远不如有线通讯;因此,我们需要专用的有线通信。我们现在假设它是由 12 VDC 供电的类似 RS485 的 ±data,如下图 5中的绿色所示。下面以蓝色显示的是两根大功率电线(例如 48 VDC、110 VAC 或柔性 48 VDC/110 VAC),每个插座支持 12 W。
不要让 12 VDC 和高功率迷惑您。12 VDC 电源(110 美元)始终处于开启状态,并支持在睡眠时消耗 1 mA 电流和在运行时消耗 10 mA 电流的处理器。这样的电源可能支持分布在 100 m 上的 32 个节点。另一方面,“高功率”可能仅在需要时打开,以减少未加载时电源模块消耗的静态功率(例如,处理器在不使用时将 48 V 电源模块完全关闭)。在典型情况下,48 VDC 将为每个灯泡供电 200 mA,其中一个有四个灯泡分布在 10 m 的18 号电缆上(1000 英尺 160 美元),能量损失为 1.5%(1.5% = 0.75V/48V, 0.75V = 2 × 0.002 × 10 × 2, 0.002 Ω/米线)。
在图 5 中,主控制被整合在“自动化盒子”中,可能在房子的地下室。注意三个独立的网络从这个盒子发出。这类似于电源保险丝,其中一个盒子每个房子有 10 到 20 个保险丝,每个保险丝支持不同的布线网络(有时称为电路)。一个房子可能有 10 个低压电路,每个电路有 5 到 15 个设备,通过四根线连接(12 VDC ±电源,±数据)。图 5 还显示了驱动灯具的绿色控制线(12 VDC ±power、±data)和蓝色高功率线(例如 48 VDC、110 VAC)。
例如,如果一个灯泡的额定电流为 200 mA,那么人们将通过它连续泵送 200 mA 的电流以获得 100% 的功率。要使用脉宽调制 (PWM) 将该灯泡调暗至 30% 功率,请在 10 KHz (100 μSec) 周期内施加 200 mA 电流 30 μSec 和无电流 70 μSec。
图 5 中的每个夹具都包含一个约 1 美元的微处理器,例如XMC1302和一个 MOSFET LED 驱动器。MOSFET 可以以 >3 kHz 的速率开启和关闭以产生调光效果,并且可以调节通过 LED 灯串的电流。
基本标准支持所有电源
我们提议的物联网基本标准没有定义电源线。电源可以是固定 24 VDC、固定 48 VDC、固定 110 VAC 或固定 220 VAC。此外,它可以具有灵活的交流或直流电源,可在运行时更改并提供 20 VDC 至 56 VDC、100 VAC 至 240 VAC 或 0 V(关闭)。后一种选择(灵活电源)提供了一种直接从 110/220 VAC 电网、48 VDC 太阳能或 48 VDC 电池为设备供电的方法,无需逆变器。柔性电源的缺点是额外的成本和每个设备的小功率损耗。优点是我们在其他地方节省了电力和成本。
为了鼓励采用我们的基本标准,我们不会做出权力决定。例如,制造商 X 销售一个 LED 插座,该插座连接到±数据线并固定为 220 VAC。制造商 Y 做了类似的事情,使用两条低功率 12 VDC 电线和两条支持 48 VDC(太阳能、电池)或 110 VAC(电网)并在运行时更改的柔性电源线。我们的系统支持这两种产品。
为什么不用 48 VDC 而不是 12 VDC 为设备处理器供电?一个 48 V 至 3 V 的开关电源会占用 PCB 空间,并且在驱动小功率时效率低下——它会在处理器休眠时消耗静态功率。或者,12 V 至 3.3 V 线性电源稳压器体积小、价格便宜,并且在处理器休眠时消耗的能量很少。
IEEE 等行业组织可以根据需要轻松添加其他标准,以对我们的基本标准提供更多控制。例如,IEEE 可能会使用六线电缆建立一个附加标准,该标准支持±数据、12 VDC 始终处于低功耗状态,以及运行时灵活的 48 VDC 或 110/220 VAC 或 OFF。根据市场需求,行业领导者之间的对话将产生其他标准。我们从一个基本标准开始,让行业从那里建立起来。
在运行时变化的灵活电源似乎难以处理,但接受 110/220 VAC 的开关电源也可以接受 48 VDC,只要稍作修改。Flex power 使人们能够直接从电网路由到设备,直接从 48 VDC 电池路由到设备,以及直接从太阳能光伏 (PV) 48 VDC 路由到设备。减少电源和逆变器硬件可降低成本和能耗。此外,这需要设备、电池和太阳能电池阵列之间的仔细协调,这超出了本文的范围。Flex 电源与低功率 12 VDC 很好地配对,因为它确保处理器在 Flex 电源变化时不间断地运行。缺点是六线而不是四线。
回顾图 5,除了 LED 灯泡外,该网络还连接到墙壁开关和电动热窗罩。如果您计算一下我们网络的哪个部分最省钱,那就是 2 英寸。(5 厘米)厚的固体泡沫块,在房间不使用时覆盖窗户。我们通过窗户损失了大量的能量,添加这种能力很容易,因为驱动电机的电子设备与驱动 LED 的电子设备相似。电工可以使用从天花板上的 LED 插座到窗户的电缆轻松地将我们的网络扩展到电动窗户。