Zkombinujte PoE s technologií Bluetooth Low Energy a implementujte infrastrukturu chytrého osvětlení s efektivními náklady

Chytré osvětlení kombinuje efektivní LED diody s dlouhou životností a bezdrátové připojení, které umožňuje správcům budov přizpůsobit osvětlení tak, aby odpovídalo obsazenosti a minimalizovalo spotřebu energie. Instalace chytrého osvětlení do nových budov je poměrně jednoduchá, ale dodatečné vybavení stávajících budov je složité a mnohem dražší. Správci budov zavedených nemovitostí proto hledají levnější alternativy, které by jim umožnily využít pokroků v oblasti osvětlení.

Jednoduchou a cenově efektivní alternativou je k napájení LED diod přidat ke stávajícím ethernetovým sítím technologii Power-over-Ethernet (PoE). Nevýhodou je, že Ethernet je méně vhodný pro připojení chytrého osvětlení, protože byl navržen pro přenos častých a velkých objemů informací mezi počítači spíše než pro malé a málo časté datové přenosy používané při ovládání a konfiguraci chytrého osvětlení.

Řešením je zkombinovat PoE s připojením Bluetooth Low Energy (LE) a umožnit tak bezdrátovou konfiguraci a ovládání z chytrých telefonů. Tento standard RF s krátkým dosahem se již v oblasti chytrého osvětlení široce uplatnil a, což je zásadní, spolupracuje s chytrými telefony. Tato spolupráce zajišťuje, že světla lze ovládat přímo z aplikací na mobilních telefonech, aniž by bylo nutností drahé, proprietární uživatelské rozhraní.

V tomto článku si představíme technologii PoE, vysvětlíme výhody infrastruktury LED osvětlení založeného na PoE a popíšeme, jak mohou konstruktéři implementovat řešení LED osvětlení PoE. V článku je dále popsáno, jak implementovat bezdrátovou konfiguraci a ovládat síť pomocí Bluetooth LE, a to podle referenčních návrhů PoE plus Bluetooth LE a vyhodnocovacích sad od společností Maxim Integrated, STMicroelectronics a ON Semiconductor.

Stručný úvod do technologie PoE

Původní technologie PoE (IEEE 802.3af „typ 1“) poskytovala každému zařízení nominální stejnosměrný výkon 15,4 W (minimálně 44 V DC a 350 mA). Technologie využívá konektor RJ45 a kabel Cat5, který je v ethernetových sítích běžný.

Napájení může být přenášeno pomocí nepoužívaných vodičů ethernetového kabelu – „alternativa B“ – nebo prostřednictvím datových vodičů kabelu použitím souhlasného napětí na každý pár, který nenarušuje přenos dat diferenciální signalizace kabelu – „alternativa A“.

Ve standardu IEEE 802.3af jsou definovány dva typy zařízení PoE – zařízení dodávající napájení (PSE, „Power Sourcing Equipment“) a napájené zařízení (PD, „Powered Device“). PSE odebírá energii z vlastního konvenčního napájecího zdroje a poté spravuje energii odeslanou po ethernetové kabelové síti do PD, které z PoE odebírá potřebnou energii. Standardy IEEE PoE zajišťují signalizaci mezi PSE a PD, což PSE umožňuje detekovat vyhovující zařízení. PSE aplikuje na vodič stejnosměrné napětí mezi 2,8 a 10 V a pomocí měření proudu ve smyčce určuje, zda je připojeno zařízení PD. PD by mělo představovat odporovou zátěž mezi 19 a 27 kΩ s paralelní kapacitou 120 nanofaradů (nF). Jakmile je zařízení PD detekováno, PSE a PD „dohodnou“ množství požadovaného nebo dostupného výkonu.

K zajištění rostoucího počtu zařízení, která potřebují výkon vyšší než 15,4 W obsažených v původním standardu, byla v roce 2009 zavedena technologie „PoE+“ (IEEE 802.3at „typ 2“). Tato technologie může dodávat zařízení PD jmenovitý výkon až 25,5 W. Proud PoE+ se oproti původnímu standardu zvyšuje z 350 mA na 600 mA. (Více informací o PoE a PoE+ naleznete v technickém článku společnosti DigiKey Úvod do napájení přes ethernet.) Pozdější verze, dle standardu IEEE 802.3bt „typ 3“ a „typ 4“, dodávají jmenovitý výkon 60 W a 90 W, respektive 600 mA a 960 mA.

Implementace návrhu PoE midspanu

PSE jsou buď umístěna v endspanu na přepínači/rozbočovači, nebo implementována jako midspan. PSE endspanu je obvykle v ethernetovém přepínači, zatímco PSE midspanu je „napájecí injektor“, který je umístěn někde mezi normálním ethernetovým přepínačem a PD a dodává napájení prostřednictvím síťové kabeláže, aniž by byl ovlivněn přenos dat. Možnost instalovat PSE do midspanů umožňuje zavedení PoE do starších sítí, kde by bylo drahé nahradit stávající ethernetové přepínače novými modely podporujícími PoE.

V implementaci midspanu PoE je napájení distribuováno přímo přes nepoužívané ethernetové páry. Pozitivní výstup PSE PoE (V+) je připojen k vodičům 4 a 5, zatímco negativní výstup PSE (V−) je připojen k vodičům 7 a 8. V této konfiguraci jsou napájecí páry odděleny od původních signálových párů, které procházejí přímo napájecím injektorem midspanu PoE. Tento typ implementace je zobrazen s konfigurací pomocí jednokanálového řadiče PD MAX5969 a čtyřkanálového řadiče PSE MAX5980 společnosti Maxim Integrated (obrázek 1).

Obrázek 1: Implementace midspanu PoE přenášející napájení dříve nepoužívanými napájecími vodiči v ethernetovém kabelu Cat5. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated)

Řadič MAX5969 poskytuje kompletní rozhraní pro PD v souladu se systémy PoE podle normy IEEE 802.3af/at. Zařízení poskytuje PD detekční podpis, klasifikační podpis a integrovaný izolační vypínač s ovládáním náběhového proudu. V závislosti na vstupním napětí pracuje řadič MAX5969 v jednom ze čtyř různých režimů: detekce PD, klasifikace PD, označení události a napájení PD. Zařízení přechází do režimu detekce PD, když je vstupní napětí mezi 1,4 a 10,1 V, a režimu klasifikace PD, když je mezi 12,6 a 20 V. Jakmile vstupní napětí překročí V_ON (35,4 V), přejde zařízení do režimu napájení PD.

Čtyřkanálový řadič PSE MAX5980 je navržen pro použití v implementacích PSE PoE dle standardu IEE 802.3af/at. Toto zařízení poskytuje zjišťování PD, klasifikaci, omezení proudu a detekci odpojení zátěže a nabízí čtyři provozní režimy:

• Automatický režim umožňuje zařízení pracovat automaticky ve výchozím nastavení bez jakéhokoli softwaru
• Poloautomatický režim automaticky detekuje a klasifikuje zařízení připojená k portům, ale nenapájí port, dokud k tomu nedostane pokyn ze softwaru
• Manuální režim umožňuje úplné softwarové ovládání zařízení a je užitečné pro diagnostiku systému
• Režim vypnutí ukončí všechny činnosti a bezpečně vypne napájení portů

Pro práci na vývoji řešení obsahujících řadič MAX5980 dodává společnost Maxim také vyhodnocovací sadu (EK, „evaluation kit“) MAX5980EVKIT. Sada EK je vybavena ethernetovým čtyřportovým obvodem PSE – obsahujícím řadič PSE MAX5980 a čtyři N-kanálové výkonové tranzistory MOSFET – pro napájecí zdroje −48 nebo −54 V. Souprava EV zahrnuje samostatný, nezávislý napájecí kanál pro každý ze čtyř výstupních ethernetových portů a umožňuje technikovi využít všech funkcí řadiče PSE pro každý z těchto kanálů. Lze nastavit konfigurovatelné provozní režimy a režimy s vysokým výkonem (programovatelné až na 30 W na port) a technik může experimentovat s aktuálními informacemi o portu prostřednictvím rozhraní I²C, detekce PD, klasifikace PD, ochrany proti nadproudu a podpětí/předpětí, omezování proudu (funkcí current foldback) a monitorování odpojení DC.

Konfiguraci lze dokončit pomocí softwaru kompatibilního s PC s přístupem k jednotlivým registrům na bitové úrovni (obrázek 2).

Obrázek 2: Vyhodnocovací souprava k řadiči MAX5980 obsahuje software kompatibilní s PC, který umožňuje jednoduchou konfiguraci čtyř portů, které řídí řadič PSE. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated)

Přidání LED osvětlení založeného na PoE

Kromě toho, že není nutné instalovat nové kabely pro chytré osvětlení, je hlavní výhodou osvětlení připojeného pomocí PoE snížení složitosti napájení LED svítidla.

LED svítidla připojená k zásuvkám PoE fungují jako zařízení PD a odebírají čistý, regulovaný stejnosměrný výkon přímo ze sítě, aniž by bylo nutné primární stupeň regulace napájení převádět ze střídavého proudu na stejnosměrný a snižovat síťové napětí. Stejnosměrné (jmenovité) napájení PoE 44 V však není vhodné k přímému napájení LED diod, takže mezi zdroj a světlo by měl být instalován LED řadič. LED řadič reguluje vstup a převádí jej na konstantní proud a konstantní napětí potřebné pro LED diodu.

Dobrým příkladem LED řadiče navrženého pro provoz PoE je model MAX16832 společnosti Maxim Integrated. Zařízení je snižovacím LED řadičem s konstantním proudem a vysokým jasem, které nabízí rozsah vstupního napětí 6,5 až 65 V, což poskytuje konstantní výstupní proud až 1 A s přesností ±3 %. Vyhrazený vstup PWM umožňuje pulzní stmívání LED v široké škále úrovní jasu. 2MHz přepínání umožňuje použití menších magnetických komponent. Účinnost se uvádí kolem 95 procent při napájení pěti LED diod v sérii ze 45voltového vstupu. Analogová funkce omezování teploty (thermal-foldback) snižuje proud LED diod, když teplota LED řetězce překročí stanovený bod. Na obrázku je typický aplikační obvod pro řadič MAX16832 (obrázek 3).

Obrázek 3: Aplikační obvod LED řadiče MAX16832 společnosti Maxim s vysokým jasem. Řadič je vhodný pro aplikace LED osvětlení PoE. (Zdroj obrázku: společnost Maxim Integrated)

Kombinace LED osvětlení založeného na PoE s Bluetooth LE

LED diody lze přesně ztlumit, ihned zapnout nebo vypnout a nakonfigurovat tak, aby poskytovaly mnoho teplotních a barevných variací. Konektivita umožňuje spotřebiteli snadný přístup k tomuto přizpůsobení. Využití ethernetové sítě přímo pro připojení inteligentního světla je možné, ale komplikuje ho skutečnost, že síť je navržena tak, aby přenášela často velké množství dat mezi počítači spíše než malá množství a málo často mezi LED světly.

Naproti tomu je technologie Bluetooth LE ideálně přizpůsobena požadavkům na připojení chytrého osvětlení. Mezi klíčové výhody patří energeticky účinný přenos malého množství dat v dosahu až 100 m, široká základna dodavatelů, spolupráce s chytrými telefony umožňující konfiguraci a ovládání bez potřeby dalšího uživatelského rozhraní a funkce sítí se síťovou topologií podporovat okamžité ovládání konkrétních světel nebo skupin světel. (Další informace o návrhu sítě Bluetooth naleznete v technickém článku společnosti DigiKey Navrhování chytrých aplikací Bluetooth Low Energy se sítí Bluetooth.)

Přidání technologie Bluetooth LE do LED světla PoE není triviální záležitostí (více informací o navrhování pomocí Bluetooth LE najdete v technickém článku společnosti DigiKey Systémy SoC a nástroje Bluetooth Low Energy kompatibilní s Bluetooth 4.1, 4.2 a 5 splňují podmínky IoT), ale dávají smysl kvůli jasným výhodám, které přináší. Kromě toho referenční návrhy a vyhodnocovací sady dodavatelů čipů výrazně usnadnily vývoj prototypů chytrých světel založených na PoE s bezdrátovým připojením.

Jedním z příkladů je referenční návrh PoE společnosti STMicroelectronics s připojením Bluetooth LE, STEVAL–POEL45W1. Referenční návrh je založený na rozhraní PD PoE vyhovujícím standardu IEEE802.3bt – LED řadiči PM8805 této společnosti schopném generovat proud až 3 A a na modulu Bluetooth LE. Referenční návrh poskytuje výstupní výkon 45 W.

Firmware nabízený s referenčním návrhem (STSW-POEL45FW) komunikuje s aplikací PoE osvětlení pro systémy Android, která umožňuje správu režimů zapnutí/vypnutí LED řadiče a stmívání pomocí pracovního cyklu s pulzně-šířkovou modulací (PWM) 500 Hz (také generovaného firmwarem). Konstruktér má také možnost vyvíjet aplikační software z důvodu vylepšení bezdrátové konfigurace a ovládání LED diod a programovat čip Bluetooth LE pomocí nástroje STSW-BNRG1STLINK této společnosti.

Společnost ON Semiconductor nabízí platformu Connected Lighting Platform LIGHTING-1-GEVK. Produkt obsahuje několik vyhodnocovacích desek s moduly plug-in (podporujících duální LED řadič, LED osvětlení a funkci Bluetooth LE), které lze integrovat do kompletního řešení komerčního osvětlení s bezdrátovým připojením. Výchozím napájecím zdrojem je AC/DC převodník, ale společnost poskytuje také napájecí zdroj PoE LIGHTING-POWER-POE-GEVB (obrázek 4).

Obrázek 4: Napájecí zdroj PoE společnosti ON Semiconductor pro použití s platformou Connected Lighting Platform této společnosti převádí LED svítidlo na PD kompatibilní se standardem IEEE 802.3af/at/bt. (Zdroj obrázku: společnost ON Semiconductor)

Jádrem napájecího zdroje PoE je PD řadič PoE NCP1096PAR2G této společnosti. Čip převádí LED svítidlo na PD kompatibilní se standardem IEEE 802.3af/at/bt. Řadič NCP1096 podporuje aplikace s vysokým příkonem (až 90 W) prostřednictvím interního průchozího tranzistoru.

Chcete-li používat platformu Connected Lighting Platform s napájecím zdrojem PoE, je nutné připojit napájecí injektor PSE midspanu ke vstupu napájecího zdroje. Společnost ON Semiconductor doporučuje napájecí injektor midspanu POE90U-1BT-2-R společnosti Phihong s příkonem až 90 W při 56 V od 100 V do 240 V.

Jakmile je napájecí injektor PSE midspanu zapojen do vstupu napájecího zdroje PoE, jde jednoduše jen o připojení LED řadiče k výstupu napájení, diod LED k výstupu řadiče a připojovacího modulu Bluetooth LE ke konektoru na LED řadiči. Výsledkem je kompletní bezdrátový hardwarový systém založený na PoE.

Vývoj firmwaru pro platformu Connected Lighting Platform se provádí prostřednictvím sady pro vývoj softwaru (SDK) Bluetooth CMSIS této společnosti, nástroje pro návrh, který běží v řadě integrovaných vývojových prostředí (IDE). Firmware běží na FreeRTOS, operačním systému v reálném čase, který je součástí sady SDK CMSIS. Jakmile je sada SDK nainstalována na IDE, umožňuje konstruktérovi experimentovat s následujícími službami Bluetooth LE:

• Služba řízení osvětlení: Využívají ji připojená zařízení ke čtení a změně stavu připojených řetězců LED.
• Služba telemetrie: Zpřístupňuje proměnné měřené platformou připojeným zařízením. Proměnné zahrnují proud protékající jednotlivými LED řadiči a napětí systému.
• Služba poskytování napájení PoE: Umožňuje partnerskému zařízení získat informace o výkonových omezeních vyplývajících z PoE pro zařízení, která byla sjednána mezi injektorem a platformou PoE.

Sada Bluetooth CMSIS SDK obsahuje řadu ukázkových aplikací, které lze snadno importovat do pracovního prostoru IDE a odtud směrovat na čip Bluetooth LE v platformě Connected Lighting Platform (obrázek 5).

Obrázek 5: Sada SDK Bluetooth CMSIS společnosti ON Semiconductor obsahuje ukázkové aplikace pro osvětlení pro použití s platformou Connected Lighting Platform této společnosti. (Zdroj obrázku: společnost ON Semiconductor)

S platformou Connected Lighting Platform se dodává také přidružená aplikace pro chytré telefony, RSL10 Sense and Control App, kompatibilní s chytrými telefony se systémem iOS i Android. Po stažení do chytrého telefonu aplikace vyzve vývojáře, aby aplikaci spároval s platformou Connected Lighting Platform. Z aplikace pak může vývojář:

• Zobrazit naměřené proudy LED kanálu a telemetrická data napětí systému
• Nezávisle nastavovat pracovní cyklus PWM pro jednotlivé kanály LED (a tedy ovládat stmívání)
• Zobrazovat informace o vyjednaných limitech napájení mezi řadičem PD a PSE PoE (obrázek 6)

Obrázek 6: Aplikace Sense and Control App společnosti ON Semiconductor poskytuje informace o konfiguraci a výkonu z platformy Connected Lighting Platform. (Zdroj obrázku: společnost ON Semiconductor)

Závěr

Chytré osvětlení spojuje efektivní a trvanlivé LED diody s pohodlím bezdrátového připojení. Jednoduchou a cenově efektivní alternativou pro upgrade stávající infrastruktury je implementace PoE do komerčních ethernetových sítí za účelem napájení LED světel a přidání připojení Bluetooth LE pro bezdrátovou konfiguraci a ovládání osvětlení pomocí chytrých telefonů.

Přestože navrhování bezdrátového chytrého osvětlení založeného na PoE není triviální záležitostí, existuje mnoho vyspělých řešení PSE a PD PoE, řada LED řadičů kompatibilních s PoE a Bluetooth LE navržených s ohledem na chytré osvětlení. Proces vývoje je dále usnadněn, pokud jsou návrhy prototypů založeny na okamžitě připravených vyhodnocovacích sadách PoE plus Bluetooth LE a příkladech firmwaru od hlavních dodavatelů čipů.