Połączenie technologii PoE i Bluetooth Low Energy pozwala opłacalnie wdrażać inteligentną infrastrukturę oświetleniową

Inteligentne oświetlenie stanowi kombinację wydajnych i trwałych diod LED oraz bezprzewodowej łączności, która pozwala zarządcom budynków dostosowywać oświetlenie do potrzeb użytkowników i zminimalizować zużycie energii. Instalacja inteligentnego oświetlenia w nowych budynkach jest stosunkowo prosta, ale modernizacja istniejących budynków może być skomplikowana i znacznie droższa. Zarządcy istniejących budynków poszukują tańszych alternatyw, które pozwolą im korzystać z postępu w dziedzinie oświetlenia.

Prostą i ekonomiczną alternatywą jest dodanie technologii Power-over-Ethernet (PoE) do istniejących sieci Ethernet w celu zasilania diod LED. Minusem jest to, że Ethernet jest mniej odpowiedni do podłączenia inteligentnego oświetlenia, ponieważ został zaprojektowany do częstego przesyłania dużych ilości informacji między komputerami, a nie rzadkich transmisji niewielkich pakietów danych używanych do sterowania i konfiguracji inteligentnego oświetlenia.

Rozwiązaniem jest kombinacja technologii PoE i łączności Bluetooth Low Energy (LE), umożliwiająca bezprzewodową konfigurację i sterowanie ze smartfonów. Ten standard łączności krótkiego zasięgu na częstotliwościach radiowych (RF) został już szeroko przyjęty w systemach inteligentnego oświetlenia, a co najważniejsze, jest kompatybilny ze smartfonami. Zdolność do współpracy zapewnia możliwość sterowania oświetleniem bezpośrednio z aplikacji na telefonach komórkowych bez potrzeby stosowania drogich, zastrzeżonych interfejsów użytkownika.

W tym artykule przedstawiono technologię PoE (zasilanie przez Ethernet), wyjaśniono zalety infrastruktury oświetleniowej LED opartej na PoE oraz opisano, w jaki sposób projektanci mogą wdrażać rozwiązania oświetleniowe LED z PoE. Następnie artykuł opisuje wdrożenia bezprzewodowej konfiguracji i sterowania sieci przy użyciu Bluetooth LE poprzez odniesienie do projektów referencyjnych wykorzystujących technologie PoE i Bluetooth LE oraz zestawów ewaluacyjnych firm Maxim Integrated, STMicroelectronics oraz ON Semiconductor.

Krótkie wprowadzenie do technologii PoE

Pierwotna technologia PoE (IEEE 802.3af „Type 1”) zapewniała nominalnie 15,4W mocy prądu stałego (minimum 44V= i 350mA) dla każdego urządzenia. Technologia wykorzystuje złącze RJ45 i kabel Cat5 typowy dla sieci Ethernet.

Zasilanie może być przesyłane na nieużywanych żyłach kabla Ethernet, („alternatywa B”), lub przez żyły danych w kablu przez przyłożenie napięcia wspólnego do każdej pary, które nie zakłóca transmisji danych sygnalizacji różnicowej kabla, „alternatywa A”.

Norma IEEE 802.3af definiuje dwa typy urządzeń PoE: urządzenia zasilające (PSE, Power Sourcing Equipment) oraz urządzenia zasilane (PD, Powered Device). Urządzenie PSE pobiera moc z własnego konwencjonalnego źródła zasilania, a następnie zarządza energią przesyłaną przez sieć kablową Ethernet do urządzeń PD, które pobierają potrzebną im energię z PoE. Normy IEEE PoE przewidują sygnalizację pomiędzy urządzeniami PSE i PD, umożliwiając PSE wykrywanie urządzeń zgodnych ze standardem. Urządzenie zasilające (PSE) dostarcza napięcia stałego o wartości od 2,8 do 10V do żyły i określa, czy podłączone jest urządzenie PD poprzez pomiar prądu pętli. Urządzenie zasilane (PD) powinno stanowić obciążenie rezystancyjne pomiędzy 19 a 27kΩ z równoległą pojemnością 120nF. Po wykryciu urządzenia zasilanego (PD), urządzenie zasilające (PSE) i urządzenie zasilane „negocjują” ilość wymaganej lub dostępnej mocy.

Aby uwzględnić rosnącą liczbę urządzeń, które potrzebują więcej mocy niż 15,4W według oryginalnego standardu, w 2009 roku wprowadzono normę „PoE+” (IEEE 802.3at „Type 2”). Omawiana technologia może dostarczyć do urządzeń PD nawet 25,5W mocy znamionowej. Prąd w technologii PoE+ został zwiększony z 350mA do 600mA. (Więcej na temat technologii PoE i PoE+ można znaleźć w artykule technicznym DigiKey Wprowadzenie do technologii Power-over-Ethernet). Późniejsze wersje, IEEE 802.3bt „Type 3” i „Type 4”, określają możliwość podawania nominalnie 60W i 90W mocy oraz odpowiednio prądu o natężeniu 600mA i 960mA.

Wdrażanie projektu PoE z zasilaniem środkowym

Urządzenia zasilające (PSE) są umieszczane na końcach - na przełączniku lub koncentratorze -albo na środku. Końcowe urządzenie zasilające (PSE) zazwyczaj znajduje się w przełączniku Ethernet, natomiast środkowe urządzenie PSE jest „iniektorem zasilania”, który znajduje się gdzieś pomiędzy zwykłym przełącznikiem Ethernet a urządzeniem zasilanym (PD), dostarczając zasilanie poprzez okablowanie sieciowe bez wpływu na transmisję danych. Możliwość zainstalowania środkowego urządzenia zasilającego (PSE) pozwala na wprowadzenie technologii PoE do starszych sieci, w których wymiana istniejących przełączników Ethernet na nowe modele obsługujące PoE byłaby kosztowna.

Wdrożenie środkowe PoE polega na dystrybucji zasilania bezpośrednio przez nieużywane pary kabla Ethernet. Dodatnie wyjście urządzenia zasilającego (PSE) PoE (V+) jest podłączone do przewodów 4 i 5, natomiast ujemne wyjście urządzenia PSE (V-) jest podłączone do przewodów 7 i 8. W tej konfiguracji pary zasilania są oddzielone od pierwotnych par sygnałowych, które przechodzą bezpośrednio przez środkowy iniektor zasilania PoE. Ten typ wdrożenia jest przedstawiony w konfiguracji z wykorzystaniem jednokanałowego kontrolera urządzenia zasilanego (PD) MAX5969 firmy Maxim Integrated i czterokanałowego kontrolera urządzenia zasilającego (PSE) MAX5980 (ilustracja 1).

Ilustracja 1: środkowe wdrożenie technologii PoE przenosi zasilanie przez wcześniej nieużywane żyły zasilające kabla Ethernet Cat5. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Zestaw MAX5969 zapewnia kompletny interfejs dla urządzenia zasilanego (PD) zgodny z systemami PoE IEEE 802.3af/at. Urządzenie to zaopatruje urządzenie zasilane (PD) w sygnaturę detekcji, sygnaturę klasyfikacji oraz zintegrowany izolowany odłącznik zasilania z kontrolą prądu rozruchowego. W zależności od napięcia wejściowego układ MAX5969 pracuje w jednym z czterech trybów: detekcja urządzenia PD; klasyfikacja urządzenia PD, oznaczenie zdarzeń i zasilania urządzenia PD. Urządzenie przechodzi w tryb detekcji urządzenia PD, gdy napięcie wejściowe mieści się w zakresie od 1,4 do 10,1V, a w tryb klasyfikacji urządzenia PD, gdy mieści się ono w zakresie od 12,6 do 20V. Urządzenie przechodzi w tryb zasilania urządzenia PD, gdy napięcie wejściowe przekroczy wartość V_ON (35,4V).

Czterokanałowy kontroler urządzenia zasilającego (PSE) MAX5980 jest przeznaczony do stosowania we wdrożeniach urządzeń zasilających (PSE) w technologii PoE IEEE 802.3af/at. Urządzenie to zapewnia wykrywanie urządzeń zasilanych (PD), klasyfikację, ograniczanie prądu i wykrywanie odłączenia obciążenia oraz oferuje cztery tryby pracy:

• Tryb automatyczny umożliwia automatyczną pracę urządzenia przy ustawieniach domyślnych bez konieczności instalowania oprogramowania
• Tryb półautomatyczny automatycznie wykrywa i klasyfikuje urządzenia podłączone do portów, ale nie zasila portu, dopóki nie zostanie to zlecone przez oprogramowanie
• Tryb ręczny umożliwia całkowitą kontrolę programową nad urządzeniem i jest przydatny do diagnostyki systemu
• Tryb wyłączania kończy wszystkie działania i bezpiecznie wyłącza zasilanie portów

Firma Maxim dostarcza zestaw ewaluacyjny MAX5980EVKIT (EK) do prac rozwojowych z układem MAX5980. Zestaw ewaluacyjny posiada obwód urządzenia zasilającego (PSE) z czterema portami Ethernet, składający się z kontrolera PSE MAX5980 i czterech tranzystorów mocy MOSFET z kanałem N dla zasilaczy -48 lub -54V. Zestaw ewaluacyjny implementuje oddzielny, niezależny kanał zasilania dla każdego z czterech portów wyjściowych Ethernet i umożliwia inżynierowi korzystanie z pełnej funkcjonalności kontrolera PSE dla każdego z tych kanałów. Można ustawiać konfigurowane tryby operacyjne i tryby wysokiej mocy (programowane do 30W na port), a projektant może eksperymentować z informacjami o prądzie portu poprzez interfejs I²C, wykrywaniem urządzeń PD, klasyfikacją urządzeń PD, zabezpieczeniem nadprądowym i pod/nadnapięciowym, ograniczaniem prądu i monitorowaniem odłączania prądu stałego.

Konfigurację może uzupełnić oprogramowanie kompatybilne z komputerem PC, z dostępem do każdego rejestru na poziomie bitów (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zestaw ewaluacyjny MAX5980 zawiera oprogramowanie kompatybilne z komputerami PC, które umożliwia prostą konfigurację czterech portów nadzorowanych przez kontroler urządzenia zasilającego (PSE). (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Dodawanie oświetlenia LED opartego na technologii PoE

Oprócz wyeliminowania konieczności instalowania nowego oprzewodowania inteligentnego oświetlenia, kluczową zaletą oświetlenia podłączonego w technologii PoE jest zmniejszenie złożoności zasilania opraw LED.

Oprawy LED podłączone do gniazd PoE działają jako urządzenia zasilane (PD), pobierając czyste, regulowane napięcie prądu stałego bezpośrednio z sieci, bez konieczności stosowania pierwotnego stopnia regulacji mocy do konwersji z prądu zmiennego na stały i obniżania napięcia z sieci zasilającej. Jednak napięcie (nominalne) technologii PoE 44V= nie nadaje się do bezpośredniego zasilania diod LED, dlatego pomiędzy zasilaniem a oświetleniem należy zamontować sterownik LED. Sterownik LED reguluje napięcie wejściowe, zamieniając je na stały prąd i stałe napięcie potrzebne dla diody LED.

Dobrym przykładem sterownika LED zaprojektowanego do pracy w technologii PoE jest MAX16832 firmy Maxim Integrated. Urządzenie jest stałoprądowym sterownikiem obniżającym do diod LED o dużej jasności, charakteryzującym się zakresem napięć wejściowych od 6,5 do 65V, zapewniającym stały prąd wyjściowy do 1A z dokładnością ±3%. Specjalne wejście z modulacją szerokości impulsu (PWM) umożliwia impulsową regulację jasności diod LED w szerokim zakresie poziomów jasności. Przełączanie z częstotliwością 2MHz pozwala na zastosowanie mniejszych elementów magnetycznych. Sprawność wynosi około 95 procent przy zasilaniu pięciu diod LED szeregowo z wejścia 45V. Analogowa funkcja ograniczania termicznego redukuje prąd diod LED, gdy temperatura łańcucha LED przekroczy określony punkt. Typowy obwód zastosowania układu MAX16832 przedstawiono na ilustracji 3.

Ilustracja 3: obwód zastosowania sterownika diod LED wysokiej jasności MAX16832. Sterownik jest przystosowany do zastosowań oświetleniowych LED w technologii PoE. (Źródło ilustracji: Maxim Integrated)

Połączenie oświetlenia LED opartego na technologiach PoE i Bluetooth LE

Diody LED mogą być precyzyjnie ściemniane, natychmiast włączane i wyłączane oraz konfigurowane w celu uzyskania wielu wariantów temperatury i koloru. Łączność pozwala konsumentom na łatwy dostęp do tych możliwości adaptacyjnych. Bezpośrednie wykorzystanie sieci Ethernet do łączności z inteligentnym oświetleniem jest możliwe, ale skomplikowane ze względu na to, że sieć jest zaprojektowana do częstego przesyłania dużych ilości danych między komputerami, a nie rzadkiego przesyłania małych ilości danych między lampami LED.

W przeciwieństwie do tego łączność Bluetooth LE jest idealnie dostosowana do wymagań łączności inteligentnego oświetlenia. Kluczowe zalety to energooszczędne przesyłanie niewielkich ilości danych w zasięgu do 100m, szeroka baza dostawców, współpraca ze smartfonami - umożliwiająca konfigurację i sterowanie bez potrzeby stosowania dodatkowego interfejsu użytkownika - oraz możliwość pracy w sieci kratowej, umożliwiająca natychmiastowe sterowanie konkretnymi lampami lub grupami lamp. (Więcej informacji na temat projektowania sieci kratowych Bluetooth, zawiera artykuł techniczny DigiKey Projektowanie inteligentnych zastosowań Bluetooth Low Energy z siecią kratową Bluetooth).

Dodanie technologii Bluetooth LE do lamp LED PoE nie jest zadaniem prostym (więcej informacji na temat projektowania z Bluetooth LE zawiera artykuł techniczny DigiKey Układy scalone Bluetooth Low Energy zgodne z Bluetooth 4.1, 4.2 i 5 sprostają wyzwaniom Internetu rzeczy), ale wysiłek się opłaca ze względu na wyraźne korzyści, jakie przynosi. Co więcej, opracowywanie prototypów inteligentnego oświetlenia opartego na PoE i połączonego bezprzewodowo stało się znacznie łatwiejsze dzięki projektom referencyjnym i zestawom ewaluacyjnym producentów układów scalonych.

Jednym z przykładów jest projekt referencyjny PoE firmy STMicroelectronics z łącznością Bluetooth LE, STEVAL-POEL45W1. Projekt referencyjny bazuje na firmowym interfejsie PoE urządzenia zasilanego (PD) PM8805 zgodnym ze standardem IEEE802.3bt, sterowniku LED zdolnym do podawania prądu o natężeniu do 3A oraz module Bluetooth LE. Projekt referencyjny zapewnia moc wyjściową na poziomie 45W.

Oprogramowanie układowe oferowane wraz z projektem referencyjnym (STSW-POEL45FW) komunikuje się z aplikacją PoE do sterowania oświetleniem w systemie Android, umożliwiając zarządzanie trybami włączania/wyłączania sterownika LED oraz regulację jasności poprzez sterowanie cyklem roboczym za pomocą modulacji szerokości impulsu (PWM) 500Hz (również generowaną przez oprogramowanie układowe). Projektant może również swobodnie tworzyć oprogramowanie aplikacyjne do rozszerzonej bezprzewodowej konfiguracji i sterowania diodami LED oraz programować układ Bluetooth LE za pomocą firmowego narzędzia STSW-BNRG1STLINK.

Firma ON Semiconductor oferuje platformę LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting. Produkt składa się z kilku łączonych płytek ewaluacyjnych (obsługujących podwójny sterownik LED, oświetlenie LED i funkcje Bluetooth LE), z których można skonstruować kompletne rozwiązanie oświetlenia komercyjnego z łącznością bezprzewodową. Domyślnym zasilaczem jest przetwornica prądu zmiennego na stały, ale firma dostarcza również zasilacze PoE, LIGHTING-POWER-POE-GEVB (ilustracja 4).

Ilustracja 4: zasilacz PoE firmy ON Semiconductor do użytku z firmową platformą Connected Lighting przekształca oprawę LED w urządzenie zasilane (PD) zgodne ze standardem IEEE 802.3af/at/bt. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Sercem zasilacza PoE jest firmowy kontroler PoE urządzenia zasilanego (PD) NCP1096PAR2G. Układ przekształca oprawę LED w urządzenie zasilane (PD) zgodne ze standardem IEEE 802.3af/at/bt. Układ NCP1096 obsługuje zastosowania dużej mocy (do 90W) dzięki wewnętrznemu tranzystorowi przepustowemu.

Używanie platformy Connected Lighting z zasilaczem PoE wymaga podłączenia środkowego iniektora zasilania PSE do wejścia zasilacza. Firma ON Semiconductor poleca środkowy iniektor zasilania Phihong POE90U-1BT-2-R, dostarczający do 90W i napięcia 56V przy napięciu wejściowym od 100V do 240V.

Po podłączeniu środkowego iniektora zasilania PSE do wejścia zasilacza PoE wystarczy podłączyć sterownik LED do wyjścia zasilacza, diody LED do wyjścia sterownika oraz moduł łączności Bluetooth LE do złącza w sterowniku LED, aby uzyskać kompletny system sprzętowy oparty na PoE z łącznością bezprzewodową.

Rozwój oprogramowania układowego dla platformy Connected Lighting odbywa się poprzez firmowy zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) Bluetooth CMSIS - narzędzie projektowe, które działa w wielu zintegrowanych środowiskach programistycznych (IDE). Oprogramowanie układowe działa pod systemem operacyjnym czasu rzeczywistego FreeRTOS, który stanowi część zestawu CMSIS SDK. Po zainstalowaniu w zintegrowanym środowisku deweloperskim (IDE), zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) umożliwia projektantowi eksperymentowanie z następującymi usługami Bluetooth LE:

• Usługa sterowania oświetleniem: używana przez podłączone urządzenia do odczytu i zmiany stanu podłączonych łańcuchów LED.
• Usługa telemetryczna: udostępnia zmienne mierzone przez platformę podłączonym urządzeniom. Zmienne obejmują prąd płynący przez poszczególne sterowniki LED oraz napięcie układu.
• Usługa dostarczania zasilania PoE: umożliwia urządzeniu równorzędnemu pobranie informacji o limitach mocy PoE nałożonych na urządzenie, które zostały wynegocjowane między iniektorem PoE a platformą.

Zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) Bluetooth CMSIS zawiera szereg przykładowych aplikacji, które można łatwo importować do przestrzeni roboczej zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE), a stamtąd przenieść do układu Bluetooth LE na platformie Connected Lighting (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) Bluetooth CMSIS firmy ON Semiconductor zawiera przykładowe aplikacje oświetleniowe do wykorzystania z platformą Connected Lighting firmy ON Semiconductor. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Platformie Connected Lighting towarzyszy również powiązana aplikacja RSL10 Sense and Control, kompatybilna ze smartfonami z systemem iOS oraz Android. Po pobraniu aplikacji na smartfona deweloper otrzymuje monit o sparowanie jej z platformą Connected Lighting. Z poziomu aplikacji deweloper może:

• wyświetlać dane telemetryczne zmierzonych prądów kanałów LED i napięcia systemowego
• niezależnie ustawiać cykle robocze modulacji szerokości impulsu (PWM) dla poszczególnych kanałów LED (a tym samym sterować ściemnianiem)
• wyświetlać informacje o limitach mocy wynegocjowanych między kontrolerem PoE urządzenia zasilanego (PD) i urządzenia zasilającego (PSE) (ilustracja 6)

Ilustracja 6: aplikacja Sense and Control firmy ON Semiconductor udostępnia informacje o konfiguracji i parametrach działania z platformy Connected Lighting. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Podsumowanie

Inteligentne oświetlenie łączy w sobie wydajne i trwałe diody LED z wygodą łączności bezprzewodowej. Prostą i ekonomiczną alternatywą dla modernizacji istniejącej infrastruktury jest wdrożenie technologii PoE w komercyjnych sieciach Ethernet w celu zasilania oświetlenia LED i dodanie łączności Bluetooth LE umożliwiającej bezprzewodową konfigurację i sterowanie oświetleniem ze smartfonów.

Chociaż projektowanie bezprzewodowego, inteligentnego oświetlenia opartego na technologii PoE nie jest proste, istnieje wiele dojrzałych rozwiązań urządzeń zasilających (PSE) i zasilanych (PD) PoE i wiele sterowników LED kompatybilnych z technologią PoE, a Bluetooth LE zaprojektowano z myślą o inteligentnym oświetleniu. Proces rozwojowy jest łatwiejszy, jeśli projekty prototypów są oparte na łatwo dostępnych zestawach ewaluacyjnych technologii PoE i Bluetooth oraz przykładach oprogramowania układowego od wiodących dostawców mikroukładów.