Combinați PoE cu Bluetooth Low Energy pentru a implementa în mod rentabil o infrastructură de iluminat inteligent

Iluminatul inteligent combină ledurile eficiente și cu durată lungă de funcționare cu conectivitatea wireless care permite administratorilor de clădiri să personalizeze iluminatul în funcție de gradul de ocupare și să minimizeze consumul de energie. Instalarea iluminatului inteligent în clădirile noi este relativ simplă, dar modernizarea clădirilor existente este complexă și mult mai costisitoare. Administratorii imobilelor existente caută alternative mai ieftine care să le permită să profite de progresele din domeniul iluminatului.

O alternativă simplă și rentabilă este adăugarea de Power-over-Ethernet (PoE) la rețelele Ethernet existente pentru a alimenta ledurile. Dezavantajul este că Ethernet este mai puțin potrivit pentru conectivitatea iluminatului inteligent, deoarece a fost conceput mai degrabă pentru transferul de volume frecvente și mari de informații între computere, decât pentru transmisiunile de date mici și rare utilizate pentru controlul și configurarea iluminatului inteligent.

Soluția constă în combinarea PoE cu conectivitatea Bluetooth Low Energy (LE) pentru configurarea și controlul wireless de pe smartphone-uri. Acest standard de radiofrecvență cu rază scurtă de acțiune a fost deja adoptat pe scară largă pentru iluminatul inteligent și, cel mai important, este interoperabil cu smartphone-urile. Această interoperabilitate oferă posibilitatea de a controla luminile direct din aplicațiile de pe telefoane, fără a fi nevoie de interfețe de utilizare costisitoare și brevetate.

Acest articol prezintă PoE, explică avantajele infrastructurii de iluminat cu leduri bazate pe PoE și descrie modul în care proiectanții pot implementa soluții de iluminat cu leduri PoE. Articolul descrie apoi modul de implementare a configurării și controlului wireless al rețelei prin Bluetooth LE, făcând referire la proiectele de referință PoE plus Bluetooth LE și la kiturile de evaluare de la Maxim Integrated, STMicroelectronics și ON Semiconductor.

O scurtă introducere în PoE

Tehnologia PoE originală (IEEE 802.3af „Type 1”) furniza o putere nominală de 15,4 wați de curent continuu (minim 44 de volți c.c. și 350 de miliamperi (mA)) pentru fiecare dispozitiv. Tehnologia utilizează conectorul RJ45 și cablul Cat5, comune rețelelor Ethernet.

Puterea poate fi transmisă pe conductorii nefolosiți ai cablului Ethernet, „Alternativa B”, sau prin intermediul conductorilor de date ai cablului, prin aplicarea unei tensiuni de mod comun la fiecare pereche, ce nu interferează cu transmisia de date de semnalizare diferențială a cablului, „Alternativa A”.

IEEE 802.3af definește două tipuri de dispozitive PoE, echipamentul de sursă electrică (PSE) și dispozitivul alimentat (PD). PSE preia energie de la propria sursă de alimentare convențională și apoi gestionează energia trimisă prin rețeaua de cablu Ethernet către PD, care primește energia de care are nevoie de la PoE. Standardele IEEE PoE prevăd semnalizarea între PSE și PD, ceea ce permite detectarea de către PSE a dispozitivelor conforme. PSE aplică o tensiune c.c. între 2,8 și 10 volți pe conductor și determină dacă există un DP conectat prin măsurarea curentului de buclă. PD trebuie să prezinte o sarcină rezistivă între 19 și 27 kiloohmi (kΩ) cu o capacitanță paralelă de 120 nanofarazi (nF). Odată ce PD este detectat, PSE și PD „negociază” cantitatea de energie necesară sau disponibilă.

Pentru a răspunde numărului tot mai mare de dispozitive care au nevoie de o putere mai mare decât cea de 15,4 W a standardului original, în 2009 a fost introdus „PoE+” (IEEE 802.3at „Type 2"). Tehnologia poate furniza până la 25,5 wați nominali către PD. Curentul PoE+ a crescut de la 350 mA, cât era prevăzut în standardul original, la 600 mA. (Pentru mai multe informații despre PoE și PoE+, consultați articolul tehnic DigiKey Introducere în Power-over-Ethernet.) Versiunile ulterioare, IEEE 802.3bt „Type 3” și „Type 4”, furnizează o putere nominală de 60 și 90 de wați și, respectiv, 600 mA și 960 mA.

Implementarea unui design PoE midspan

PSE-urile sunt fie amplasate într-un endspan la switch/hub, fie implementate ca midspan. De obicei, un PSE endspan se află în cadrul unui switch Ethernet, în timp ce un PSE midspan este un „injector de putere” care se află undeva între un switch Ethernet normal și PD, furnizând energie prin intermediul cablajului de rețea fără a afecta transmisia de date. Posibilitatea de a instala PSE-uri în midspan-uri permite introducerea PoE în rețelele vechi, unde ar fi costisitor să se înlocuiască switch-urile Ethernet existente cu modele noi care să accepte PoE.

Într-o implementare PoE midspan, energia este distribuită direct prin perechile Ethernet neutilizate. Ieșirea pozitivă PoE PSE (V+) este conectată la firele 4 și 5, în timp ce ieșirea negativă PSE (V-) este conectată la firele 7 și 8. În această configurație, perechile de alimentare sunt separate de perechile de semnal originale, care trec direct prin injectorul de putere PoE midspan. Acest tip de implementare este prezentat configurat cu un controler PD cu un singur canal MAX5969 de la Maxim Integrated și un controler PSE cu patru canale MAX5980 (Figura 1).

Figura 1: o implementare PoE midspan care transportă energie prin firele de alimentare nefolosite anterior într-un cablu Ethernet Cat5. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

MAX5969 oferă o interfață completă pentru un PD care respectă sistemele PoE IEEE 802.3af/at. Dispozitivul oferă PD-ului o semnătură de detectare, o semnătură de clasificare și un comutator de alimentare cu izolare integrată cu control al curentului de anclanșare. În funcție de tensiunea de intrare, MAX5969 funcționează într-unul din patru moduri diferite: detectarea PD; clasificarea PD; marcarea evenimentelor; și alimentarea PD. Dispozitivul intră în modul de detectare PD atunci când tensiunea de intrare este cuprinsă între 1,4 și 10,1 volți și în modul de clasificare PD atunci când aceasta este cuprinsă între 12,6 și 20 de volți. Dispozitivul intră în modul de alimentare PD odată ce tensiunea de intrare depășește V_ON (35,4 volți).

Controlerul PSE cu patru canale MAX5980 este proiectat pentru a fi utilizat în implementările PSE PoE IEEE 802.3af/at. Acest dispozitiv asigură descoperirea PD, clasificarea, limitarea curentului și detectarea deconectării sarcinii, și oferă patru moduri de funcționare:

• Modul automat permite dispozitivului să funcționeze automat la setările sale implicite, fără niciun software
• Modul semiautomat detectează și clasifică automat dispozitivele conectate la porturi, dar nu alimentează un port până când nu primește instrucțiuni în acest sens de la software
• Modul manual permite controlul total al dispozitivului prin software și este util pentru diagnosticarea sistemului
• Modul de oprire întrerupe toate activitățile și oprește în siguranță alimentarea porturilor

Maxim furnizează kitul de evaluare (EK) MAX5980EVKIT pentru lucrări de dezvoltare cu MAX5980. EK dispune de un circuit PSE Ethernet cu patru porturi – care include controlerul MAX5980 PSE și patru MOSFET-uri de putere cu canal N – pentru surse de alimentare de 48 sau 54 volți. Kitul EV implementează un canal de alimentare separat și independent pentru fiecare dintre cele patru porturi de ieșire Ethernet și permite inginerului să utilizeze întreaga funcționalitate a controlerului PSE pentru fiecare dintre aceste canale. Pot fi configurate moduri operaționale configurabile și moduri de mare putere (programabile până la 30 de wați pe port), iar inginerul poate experimenta cu informații despre curentul portului prin intermediul interfeței I²C, detectarea PD, clasificarea PD, protecția la supracurent și la supratensiune/subtensiune, întoarcerea curentului și monitorizarea deconectării c.c.

Configurarea poate fi realizată prin intermediul unui software compatibil cu PC, care are acces la fiecare registru la nivel de bit (Figura 2).

Figura 2: kitul de evaluare MAX5980 include un software compatibil cu PC care permite configurarea simplă a celor patru porturi supravegheate de controlerul PSE. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Adăugarea iluminatului cu leduri bazat pe PoE

În afară de eliminarea necesității de a instala noi cabluri de iluminat inteligente, principalul avantaj al iluminatului conectat cu PoE este reducerea complexității sursei de alimentare a corpurilor de iluminat cu leduri.

Corpurile de iluminat cu leduri conectate la prize PoE acționează ca PD-uri, preluând direct din rețea o energie de curent continuu curată și regulată, fără a fi nevoie de o etapă de reglare a energiei principale pentru a converti c.a. în c.c. și a reduce tensiunea de rețea. Cu toate acestea, alimentarea PoE (nominală) de 44 de volți c.c. nu este potrivită pentru a alimenta direct ledurile, astfel încât trebuie montat un driver led între sursă și lumină. Driverul ledului reglează intrarea, transformând-o în curentul constant și tensiunea constantă de care are nevoie ledul.

Un bun exemplu de driver led proiectat pentru funcționarea PoE este MAX16832 de la Maxim Integrated. Dispozitivul este un driver led cu curent constant reductor, cu luminozitate ridicată, cu o gamă de tensiune de intrare de la 6,5 până la 65 de volți, care oferă un curent de ieșire constant de până la 1 A cu o precizie de ±3%. O intrare PWM dedicată permite varierea de intensitate cu impulsuri a ledului pe o gamă largă de niveluri de luminozitate. Comutarea de 2 megahertzi (MHz) permite utilizarea unor componente magnetice mai mici. Eficiența este presupusă a fi de aproximativ 95 la sută atunci când se acționează cinci leduri în serie de la o intrare de 45 de volți. O funcție analogică de limitare termică reduce curentul ledului atunci când temperatura șirului de leduri depășește un punct specificat. Se prezintă un circuit de aplicație tipic pentru MAX16832 (Figura 3).

Figura 3: circuitul aplicației driverului de led cu luminozitate ridicată MAX16832. Driverul este potrivit pentru aplicațiile de iluminat cu leduri PoE. (Sursă imagine: Maxim Integrated)

Combinarea iluminatului cu leduri bazat pe PoE cu Bluetooth LE

Ledurile pot fi variate cu precizie, pornite sau oprite instantaneu și configurate pentru a oferi numeroase variații de temperatură și culoare. Conectivitatea permite consumatorului să acceseze cu ușurință această adaptabilitate. Utilizarea directă a rețelei Ethernet pentru conectivitatea iluminatului inteligent este posibilă, dar este complicată de faptul că rețeaua este concepută pentru a transmite frecvent cantități mari de date între computere, nu cantități mici și rare între luminile led.

În schimb, Bluetooth LE este ideal pentru cerințele de conectivitate a iluminatului inteligent. Principalele avantaje includ transferul eficient din punct de vedere energetic al unor cantități mici de date pe o rază de până la 100 de metri (m), o bază largă de furnizori, interoperabilitatea cu smartphone-urile – ceea ce permite configurarea și controlul fără a fi nevoie de o interfață de utilizare suplimentară – și capacitatea de conectare în rețea de tip mesh pentru a oferi controlul instantaneu al unor lumini specifice sau al unor grupuri de lumini. (Pentru mai multe informații de proiectare despre Bluetooth mesh, consultați articolul tehnic DigiKey Proiectarea aplicațiilor inteligente Bluetooth Low Energy cu Bluetooth Mesh.)

Adăugarea Bluetooth LE la un corp de iluminat cu leduri PoE nu este un lucru banal (pentru mai multe informații despre proiectarea cu Bluetooth LE, consultați articolul tehnic DigiKey SoC-urile și instrumentele Bluetooth Low Energy compatibile cu Bluetooth 4.1, 4.2 și 5 fac față provocărilor IoT), dar este un exercițiu care merită pentru avantajele clare pe care le aduce. În plus, dezvoltarea de prototipuri de lumini inteligente conectate prin rețea wireless și bazate pe PoE a devenit mult mai simplă datorită proiectelor de referință și kiturilor de evaluare ale furnizorilor de cipuri.

Un exemplu este designul de referință PoE de la STMicroelectronics cu conectivitate Bluetooth LE, STEVAL-POEL45W1. Proiectul de referință se bazează pe interfața PoE PD PM8805 a companiei, conformă cu IEEE802.3bt, un driver led capabil să furnizeze până la 3 amperi de curent și un modul Bluetooth LE. Proiectul de referință oferă o ieșire de putere de 45 wați.

Firmware-ul oferit împreună cu proiectul de referință (STSW-POEL45FW) comunică cu o aplicație Android pentru iluminat PoE care permite gestionarea modurilor de pornire/oprire ale driverului de leduri și varierea intensității prin controlul ciclului de lucru pentru modulația impulsului în lățime (PWM) de 500 hertzi (Hz) (generat, de asemenea, de firmware). De asemenea, proiectantul are libertatea de a dezvolta software de aplicație pentru configurarea și controlul wireless îmbunătățit al ledurilor și de a programa cipul Bluetooth LE utilizând utilitarul STSW-BNRG1STLINK al companiei.

Oferta ON Semiconductor este platforma de iluminat conectat LIGHTING-1-GEVK. Produsul cuprinde mai multe plăci de evaluare plug-in (care acceptă driver de led dual, iluminare led și funcționalitate Bluetooth LE) care pot fi construite într-o soluție de iluminat completă comercială cu conectivitate wireless. Sursa de alimentare implicită este un convertor c.a./c.c., dar compania oferă și o sursă de alimentare PoE, LIGHTING-POWER-POE-GEVB (Figura 4).

Figura 4: sursa de alimentare PoE de la ON Semiconductor, utilizată cu platforma pentru iluminat conectat a companiei, transformă un corp de iluminat cu led într-un PD conform cu IEEE 802.3af/at/bt. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Inima sursei de alimentare PoE este controlerul NCP1096PAR2G PoE PD al companiei. Cipul transformă corpul de iluminat cu leduri într-un dispozitiv PD compatibil cu IEEE 802.3af/at/bt. NCP1096 acceptă aplicații de mare putere (până la 90 de wați) prin intermediul unui tranzistor de trecere intern.

Pentru a utiliza platforma pentru iluminat conectat cu o sursă de alimentare PoE, este necesară conectarea unui injector de putere PSE midspan la intrarea sursei de alimentare. ON Semiconductor recomandă Phihong POE90U-1BT-2-R, un injector de putere midspan care oferă până la 90 de wați la 56 de volți de la o intrare cuprinsă între 100 volți și 240 de volți.

Odată ce injectorul de energie PSE midspan este conectat la intrarea sursei de alimentare PoE, este suficient să conectați driverul led la ieșirea sursei de alimentare, ledurile la ieșirea driverului și modulul de conectivitate Bluetooth LE la conectorul de pe driverul led pentru un sistem hardware complet bazat pe PoE și conectat prin rețea wireless.

Dezvoltarea firmware-ului pentru platforma de iluminat conectat se face prin intermediul kitului de dezvoltare software (SDK) Bluetooth CMSIS al companiei, un instrument de proiectare care rulează într-o gamă largă de medii de dezvoltare integrate (IDE). Firmware-ul rulează pe FreeRTOS, un sistem de operare în timp real care este inclus ca parte a SDK-ului CMSIS. Odată instalat pe IDE, SDK-ul permite proiectantului să experimenteze cu următoarele servicii Bluetooth LE:

• Serviciul de control al luminii: utilizat de dispozitivele conectate pentru a citi și schimba starea șirurilor de leduri conectate.
• Serviciul de telemetrie: expune variabilele măsurate de platformă pentru dispozitivele conectate. Variabilele includ curentul care circulă prin fiecare driver led și tensiunea sistemului.
• Serviciul de livrare a energiei PoE: permite dispozitivului omolog să preia informații despre limitele de putere impuse de PoE pe dispozitiv, care au fost negociate între injectorul PoE și platformă.

SDK-ul CMSIS Bluetooth include o serie de aplicații de probă care pot fi importate cu ușurință în spațiul de lucru IDE și, de acolo, portate pe cipul Bluetooth LE din platforma de iluminat conectat (Figura 5).

Figura 5: SDK-ul CMSIS Bluetooth de la ON Semiconductor include exemple de aplicații de iluminat care pot fi utilizate cu platforma de iluminat conectat a companiei. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Platforma de iluminat conectat este însoțită și de o aplicație asociată pentru smartphone, aplicația RSL10 Sense and Control, compatibilă atât cu smartphone-urile iOS, cât și cu cele Android. Odată descărcată pe smartphone, aplicația solicită dezvoltatorului să o asocieze cu platforma de iluminat conectat. Apoi, din aplicație, dezvoltatorul poate:

• Afișa curenții măsurați ai canalelor led și datele telemetrice de tensiune a sistemului
• Seta în mod independent ciclul de funcționare PWM al fiecărui canal led (și, prin urmare, controla varierea intensității)
• Afișa informațiile despre limitele de putere negociate între controlerul PoE PD și PSE (Figura 6)

Figura 6: aplicația Sense and Control de la ON Semiconductor oferă informații de configurare și performanță de la platforma de iluminat conectat. (Sursa imaginii: ON Semiconductor)

Concluzie

Iluminatul inteligent îmbină ledurile eficiente și de lungă durată cu confortul conectivității wireless. O alternativă simplă și rentabilă pentru modernizarea infrastructurii existente este implementarea PoE în rețelele Ethernet comerciale pentru a alimenta luminile led și adăugarea conectivității Bluetooth LE pentru configurarea și controlul wireless al iluminatului de pe smartphone-uri.

Deși proiectarea iluminatului inteligent wireless bazat pe PoE nu este un lucru banal, există multe soluții PoE PSE și PD mature, o gamă de drivere led compatibile cu PoE, iar Bluetooth LE a fost proiectat special pentru iluminatul inteligent. Mai mult, procesul de dezvoltare este facilitat dacă proiectele de prototipuri se bazează pe kituri de evaluare PoE plus Bluetooth LE și pe exemple de firmware disponibile de la principalii furnizori de cipuri.