Wdrażanie bezprzewodowego sterowania oświetleniem LED w inteligentnych miastach i budynkach przemysłowych

Wykorzystanie systemów oświetlenia LED ze sterowaniem bezprzewodowym w środowisku inteligentnych miast i Przemysłu 4.0 intensywnie rośnie, ponieważ niesie ze sobą wiele korzyści, takich jak niższe koszty energii (co oznacza redukcję emisji dwutlenku węgla), możliwość sterowania poziomami oświetlenia i niższe koszty konserwacji dzięki wyższej niezawodności oraz dłuższemu okresowi eksploatacji opraw LED. Do uzyskania maksymalnej efektywności systemy oświetleniowe LED wymagają kontrolera oświetlenia z różnymi trybami pracy, funkcjami pomiarowymi i zabezpieczającymi, charakteryzującego się wysoką sprawnością i szerokim zakresem napięć roboczych od 90 do 300V_~ oraz wysokim współczynnikiem mocy (PF) i niskim całkowitym współczynnikiem zawartości harmonicznych (THD). Ponadto system wymaga mikrokontrolera (MCU), koncentratora danych i bezprzewodowego nadajniko-odbiornika. Projektowanie bezprzewodowego systemu sterowania oświetleniem LED od podstaw to zadanie multidyscyplinarne, które niesie ze sobą znaczny poziom ryzyka i może opóźnić czas wprowadzenia produktu na rynek.

Projektanci mogą tego uniknąć, korzystając z wstępnie opracowanych połączonych platform rozwojowych do sterowania oświetleniem LED. Platformy te są bardzo energooszczędne, charakteryzują się wysokim współczynnikiem mocy (PF) i oferują uniwersalne sterowanie bezprzewodowe (włączanie-wyłączanie, regulacja jasności i inne tryby) oraz wiele niezależnie sterowanych kanałów LED, które zapewniają maksymalną elastyczność projektowania. Zawierają one moduły komunikacji bezprzewodowej, które obsługują takie protokoły, jak Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee i 6LoWPAN. Ponadto są obsługiwane przez środowiska rozwojowe, które obejmują konfigurowalne oprogramowanie układowe, system operacyjny czasu rzeczywistego FreeRTOS i różne możliwości zastosowań.

Na początku tego artykułu przedstawiono przegląd podstawowych zasad działania diod LED i konstrukcji opraw, a także wskaźniki do pomiaru sprawności diod LED i opraw. Omówiono użycie boczników w celu maksymalizacji niezawodności i parametrów działania opraw oświetleniowych w inteligentnych miastach i zastosowaniach Przemysłu 4.0. Przedstawiono również wstępnie opracowane połączone platformy rozwojowe oświetlenia i sterowania oświetleniem LED oraz powiązane komponenty firm STMicroelectronics i onsemi, a także uwagi dotyczące projektowania i wdrażania.

Inteligentne sterowanie oświetleniem LED rozpoczyna się od sterowania interakcjami między diodami LED w poszczególnych ciągach w celu optymalizacji parametrów działania oprawy. Obejmuje również inteligentną konwersję mocy, a nawet bezprzewodowe sterowanie sprzętem i oprogramowaniem wielu opraw, w celu maksymalizacji parametrów działania oświetlenia ulicznego i sieci oświetlenia przemysłowego.

Typowa oprawa LED zawiera wiele diod LED połączonych szeregowo w jednym lub wielu ciągach. Każda dioda LED wymaga napięcia sterującego około 3,5V. Ciąg zwykle zawiera od 10 do 30 diod LED i działa przy zasilaniu od 40 do 100V, pobierając od około 0,35 do 1,0A prądu, w zależności od jasności poszczególnych diod LED (ilustracja 1).

Ilustracja 1: dwa ciągi po 16 diod LED do użycia w inteligentnych oprawach oświetleniowych. (Źródło ilustracji: onsemi)

Jasność źródeł światła jest podawana w lumenach (lm), będących miarą jasności obserwowanej przez oko ludzkie z uwzględnieniem wrażliwości oka na różne długości fal światła widzialnego. Wydajność z jaką źródło światła emituje lumeny, nazywana jest skutecznością i jest mierzona w lumenach na wat (lm/W). Diody LED mają wyższą skuteczność niż inne popularne technologie oświetleniowe. Jednak nie wszystkie diody LED są tak samo wydajne, niektóre z nich mają znacznie wyższą skuteczność niż inne. Co więcej, dana dioda LED może wytwarzać więcej światła, jeśli jest zasilana większym prądem.

Diody LED są bardziej niezawodne niż inne technologie oświetleniowe, ale nie są idealne. Diody LED mogą zawieść, zwłaszcza jeśli są zasilane dużym prądem, na przykład w oprawach o wysokiej wydajności, stosowanych w oświetleniu ulicznym i przemysłowym. Awaria diody LED może mieć postać zwarcia lub przerwy w obwodzie. Jeśli dioda LED w ciągu ulegnie uszkodzeniu w wyniku zwarcia, gaśnie, ale pozostałe diody LED w łańcuchu nadal działają. Prąd nadal przepływa przez zwartą diodę LED, podgrzewając ją do tego stopnia, że może spowodować przerwę w obwodzie, skutkując zgaśnięciem całego ciągu.

Bocznikowanie diod LED

Projektanci opraw LED stają przed wyzwaniem zapewnienia większej liczby lumenów w mniejszych oprawach. Często wymaga to, aby diody LED działały w wyższych temperaturach przez dłuższy czas, co może spowodować ich awarię. Oczekiwany okres użytkowania opraw, w szczególności ulicznych wynosi do 15 lat. Boczniki obejściowe mogą pomóc w pogodzeniu sprzecznych wymagań dotyczących wyższych temperatur roboczych i wydłużonego okresu użytkowania. Gdy dioda LED ulegnie awarii skutkującej przerwą w obwodzie, ciąg diod nie gaśnie, gdyż bocznik omija diodę LED i utrzymuje normalną pracę ciągu. Gaśnie tylko ta dioda, która uległa awarii (ilustracja 2).

Ilustracja 2: gdy brak boczników obejściowych, usterka pojedynczej diody LED powoduje zgaśnięcie całego ciągu (po lewej). W przypadku boczników obejściowych gaśnie tylko uszkodzona dioda LED, a pozostałe diody LED w ciągu nadal działają (po prawej). (Źródło ilustracji: onsemi)

Dostępne są boczniki z możliwością zastosowania do obejścia jednej lub dwóch diod LED, w zależności od potrzeb projektu oprawy (ilustracja 3). Obejście każdej diody LED zapewnia minimalny spadek jasności w przypadku awarii jednej diody LED, natomiast obejście dwóch diod LED zmniejsza o połowę liczbę boczników w bardziej ekonomicznych rozwiązaniach. Na przykład bocznik NUD4700SNT1G firmy onsemi może być używany do obejścia pojedynczych diod LED w ciągu i automatycznie resetuje się, gdy dioda LED wznowi działanie lub zostanie wymieniona. Bocznik LBP01-0810B firmy STMicroelectronics pozwala na obejście 1 lub 2 diod LED, zwiększając elastyczność podczas projektowania i zmniejszając liczbę części. Bocznik LBP01-0810B stanowi również zabezpieczenie nadnapięciowe przed udarami zdefiniowanymi w normach IEC 61000-4-2 i IEC 61000-4-5.

Ilustracja 3: dostępne są boczniki diod LED (w polach oznaczonych linią przerywaną), dzięki którym możliwe jest obejście 1 (po lewej stronie) lub 2 (po prawej stronie) diod LED. (Źródło ilustracji: onsemi)

Inteligentne oświetlenie ulic

W celu ewaluacji opcji oświetlenia LED dużej mocy projektanci inteligentnych systemów oświetlenia ulicznego mogą skorzystać z płytki STEVAL-LLL006V1 firmy STMicroelectronics (ilustracja 4). Zintegrowany kontroler oświetlenia LED HVLED001A zawiera różne tryby pracy, mechanizmy pomiarowe i zabezpieczające oraz tworzy inteligentną i wydajną przetwornicę mocy z użyciem tranzystorów MOSFET STP21N90K5. Omawiana płytka sterownika LED wykorzystuje układ scalony przetwornicy wysokiego napięcia offline VIPER012LSTR, która dostarcza prąd wyjściowy od 60 do 110V= o stałym natężeniu 0,7A. Na potrzeby inteligentnych aplikacji oświetlenia ulicznego, sterownik charakteryzuje się zakresem wejściowym od 90 do 300V_~, współczynnikiem mocy (PF) powyżej 0,97 i współczynnikiem zawartości harmonicznych (THD) poniżej 15%. Wbudowany moduł nadajniko-odbiornika SPSGRFC w pasmie sub-1GHz może być wykorzystywany do odbierania poleceń włączania, wyłączania i regulacji jasności oraz wysyłania ich do zintegrowanego mikrokontrolera STM32L071KZ. Obsługuje on pięć poziomów regulacji jasności.

Ilustracja 4: płytka rozwojowa oświetlenia LED STEVAL-LLL006V1 jest częścią platformy, która zawiera zarządzanie zasilaniem i łączność bezprzewodową. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Narzędzia rozwojowe

Aby przyspieszyć prace rozwojowe i podkreślić funkcjonalność płytki ewaluacyjnej STEVAL-LLL006V1, dostępny jest moduł koncentratora danych (DCU) i aplikacja mobilna na system Android. DCU to zintegrowane środowisko ewaluacyjne, zbudowane na platformie NUCLEO-F401RE. Zawiera płytkę X-NUCLEO-IDS01A4 do komunikacji w paśmie sub-1GHz z płytką STEVAL-LLL006V1 oraz płytkę X-NUCLEO-IDB05A2 do komunikacji Bluetooth z urządzeniem mobilnym. Firma STMicroelectronics oferuje również swoją aplikację mobilną 6LoWPAN Smart Streetlight, która może być używana do tworzenia sieci kratowej inteligentnych sterowników oświetlenia ulicznego i oceny funkcjonalności sieci.

Oświetlenie przemysłowe LED

Prototypy połączonych przemysłowych rozwiązań oświetleniowych LED można tworzyć za pomocą połączonej platformy oświetleniowej LIGHTING-1-GEVK firmy onsemi. Wspomniana platforma rozwojowa zapewnia sterowanie bezprzewodowe, wybór użycia zasilacza prądu zmiennego/stałego lub opcjonalnego źródła zasilania przez Ethernet (PoE), moduł LED i moduł sterownika LED, a także moduł łączności BLE do powiązania wszystkich elementów. Dostępne opcje sterowania obejmują korzystanie z aplikacji mobilnej onsemi RSL10 Sense and Control lub klienta internetowego. Omawiana platforma rozwojowa zawiera system operacyjny czasu rzeczywistego FreeRTOS, pakiet CMSIS z konfigurowalnym oprogramowaniem układowym i kilka przypadków zastosowania, umożliwiając rozpoczęcie odkrywania możliwości użycia połączonych przemysłowych rozwiązań oświetleniowych LED.

Podstawowy zestaw LIGHTING-1-GEVK zawiera podwójny sterownik LED, płytkę LED z dwoma ciągami diod LED, zasilacz prądu zmiennego/stałego oraz moduł komunikacyjny BLE (ilustracja 5). Moduł zasilania przez Ethernet (PoE) jest dostępny osobno i może dostarczyć do 90W. Poniżej przestawiono niektóre kluczowe specyfikacje poszczególnych płytek w zestawie:

• Podwójny sterownik LED: zawiera dwa sterowniki LED FL7760, które zapewniają do 25W każdy, sprawność do 96%, 4000-stopniową regulację jasności do zaledwie 0,6%, dane telemetryczne obejmujące pomiary prądu i napięcia dla każdego sterownika LED oraz listwę dla wtykowego modułu mikrokontrolera MCU do obsługi łączności bezprzewodowej.
• Płytka LED: dwa niezależne kanały z 16 diodami LED w każdym kanale. Jeden kanał zawiera diody LED o strumieniu znamionowym 121lm, a drugi diody LED o strumieniu 95lm, co zapewnia całkowitą dostępną jasność 7000lm.
• Zasilacz prądu zmiennego/stałego: zawiera dwa kontrolery typu flyback FL7740 z korekcją współczynnika mocy (PFC) do regulacji strony pierwotnej. Działa w zakresie wejściowym od 90 do 270V_~, wytwarza moc wyjściową 70W przy 55V, zasilając płytkę sterownika LED, przy współczynniku mocy (PF) powyżej 0,99 i sprawności powyżej 91%.
• Moduł BLE: połączona platforma oświetleniowa korzysta z trzech usług Bluetooth Low Energy (BLE): usługa sterowania oświetleniem wykorzystywana przez podłączone urządzenia do zdalnego odczytu i zmiany stanu diod LED, usługa telemetrii wykorzystywana przez podłączone urządzenia do monitorowania napięcia i prądu w sterownikach LED oraz usługa zasilania przez Ethernet (PoE), dostarczająca informacji o limitach mocy zasilania nałożonych na urządzenie przez iniektor PoE.

Ilustracja 5: podstawowy zestaw rozwojowy zawiera podwójny sterownik LED, podwójny ciąg diod LED, zasilacz prądu zmiennego/stałego oraz moduł łączności Bluetooth Low Energy (BLE). (Źródło ilustracji: onsemi)

Płytki rozszerzeń

Do zestawu LIGHTING-1-GEVK dostępne są dwie karty rozszerzeń: przełącznik Bluetooth Low Energy (BLE) pozyskujący energię z otoczenia BLE-SWITCH001-GEVB oraz karta wieloczujnikowa MULTI-SENSE-GEVB (ilustracja 6). Jasnością LED można sterować za pomocą przełącznika Bluetooth Low Energy (BLE). Jasność wzrasta po naciśnięciu i przytrzymaniu przełącznika. Natężenie światła pozostaje stałe po zwolnieniu przełącznika lub po osiągnięciu maksymalnej jasności. Ponowne naciśnięcie przełącznika powoduje zmniejszenie jasności. Płytka wieloczujnikowa obsługuje prototypowanie systemów, które zawierają czujnik światła otoczenia, czujniki środowiskowe lub inercyjny czujnik ruchu.

Ilustracja 6: do zestawu LIGHTING-1-GEVK dostępne są dwie płytki rozszerzeń: przełącznik Bluetooth Low Energy (BLE) i płytka wieloczujnikowa (górna zielona ramka). (Źródło ilustracji: onsemi)

Opcje projektowania i wdrażania

Oprawy do oświetlenia ulicznego LED i oprawy przemysłowe stwarzają nowe możliwości innego spojrzenia na projektowanie i wdrażanie sieci oświetleniowych. W przeciwieństwie do zastępowanych technologii, jasność diod LED można regulować, co stwarza możliwości projektowania inteligentnych miast i inteligentnych obiektów Przemysłu 4.0, które uwzględniają różne czynniki, takie jak ruch uliczny i wzorce użytkowania, pora dnia, a nawet zestaw czujników w celu optymalizacji poziomu oświetlenia w razie potrzeby.

W inteligentnym mieście naturalnym wyborem są bezprzewodowe sieci kratowe, ale w obiektach Przemysłu 4.0 sterowanie może być realizowane za pomocą łączności bezprzewodowej lub przez Ethernet. Sieć Ethernet ma tę zaletę, że zapewnia zarówno komunikację, jak i zasilanie. W obu przypadkach oprawy mogą posiadać zintegrowane czujniki temperatury, wilgotności, a nawet kamery, co zwiększa ich funkcjonalność. Dodatkowo można monitorować warunki pracy samych opraw, takie jak temperatury wewnętrzne, zwarcia lub przerwy w obwodach diod LED oraz inne czynniki, co pomaga zaplanować konserwację zapobiegawczą i obniżyć koszty operacyjne.

Podsumowanie

Projektowanie niezawodnego i wydajnego połączonego systemu oświetleniowego LED rozpoczyna się od zaprojektowania opraw. Diody LED muszą być dobrane tak, aby zapewnić optymalny poziom strumienia świetlnego, a zastosowanie boczników może znacznie poprawić niezawodność i wydajność oprawy. Zastosowanie przewodowego lub bezprzewodowego oświetlenia LED w inteligentnych miastach i obiektach Przemysłu 4.0 może zmniejszyć bieżące koszty konserwacji i operacyjne, a także ograniczyć zużycie energii. Dostępne są kompleksowe platformy rozwojowe, które pomagają przyspieszyć projektowanie i wdrażanie inteligentnych, połączonych rozwiązań oświetleniowych LED.