Kombinieren Sie PoE mit Bluetooth Niedrigenergie, um eine intelligente Beleuchtungsinfrastruktur kosteneffektiv zu implementieren

Intelligente Beleuchtung kombiniert effiziente und langlebige LEDs mit drahtloser Konnektivität, die es Gebäudemanagern ermöglicht, die Beleuchtung an die Belegung anzupassen und den Energieverbrauch zu minimieren. Die Installation intelligenter Beleuchtung in neuen Gebäuden ist relativ einfach, aber die Nachrüstung in bestehenden Gebäuden ist komplex und weitaus teurer. Gebäudeverwalter etablierter Immobilien suchen nach billigeren Alternativen, die es ihnen ermöglichen, von den Fortschritten bei der Beleuchtung zu profitieren.

Eine einfache, kostengünstige Alternative ist das Hinzufügen von Power-over-Ethernet (PoE) zu bestehenden Ethernet-Netzwerken, um LEDs mit Strom zu versorgen. Der Nachteil ist, dass Ethernet für die Konnektivität intelligenter Beleuchtung weniger geeignet ist, da es für die Übertragung häufiger, großer Informationsmengen zwischen Computern konzipiert wurde und nicht für die kleinen, seltenen Datenübertragungen, die für die Steuerung und Konfiguration intelligenter Beleuchtung verwendet werden.

Die Lösung ist die Kombination von PoE mit Bluetooth Low Energy (LE)-Konnektivität für die drahtlose Konfiguration und Steuerung über Smartphones. Dieser Kurzstrecken-HF-Standard hat bereits eine weite Verbreitung für intelligente Beleuchtung erfahren und ist vor allem mit Smartphones interoperabel. Diese Interoperabilität stellt sicher, dass die Lichter direkt von Apps auf Mobiltelefonen gesteuert werden können, ohne dass teure, proprietäre Benutzerschnittstellen erforderlich sind.

Dieser Artikel stellt PoE vor, erläutert die Vorteile einer PoE-basierten LED-Beleuchtungsinfrastruktur und beschreibt, wie Designer PoE-LED-Beleuchtungslösungen implementieren können. Der Artikel beschreibt dann die Implementierung der drahtlosen Konfiguration und Steuerung des Netzwerks mit Bluetooth LE unter Bezugnahme auf PoE plus Bluetooth LE-Referenzdesigns und Evaluierungskits von Maxim Integrated, STMicroelectronics, und ON Semiconductor.

Eine kurze Einführung in PoE

Die ursprüngliche PoE-Technologie (IEEE 802.3af "Typ 1") lieferte eine nominale Gleichstromleistung von 15,4 Watt (mindestens 44 Volt DC und 350 Milliampere (mA)) für jedes Gerät. Die Technologie verwendet den RJ45-Stecker und das Cat5-Kabel, die in Ethernet-Netzwerken üblich sind.

Die Stromübertragung kann auf den unbenutzten Leitern des Ethernet-Kabels, "Alternative B", oder über die Datenleiter des Kabels erfolgen, indem an jedes Paar eine Gleichtaktspannung angelegt wird, die die differentielle Signalisierungsdatenübertragung des Kabels, "Alternative A", nicht stört.

IEEE 802.3af definiert zwei Arten von PoE-Geräten, Stromquellen (Power Sourcing Equipment, PSE) und versorgte Geräte (Powered Device, PD). Die PSE bezieht Strom aus ihrer eigenen konventionellen Stromversorgung und verwaltet dann den Strom, der über das Ethernet-Kabelnetz an die PD geschickt wird, die den benötigten Strom von PoE bezieht. Die IEEE-PoE-Standards sehen eine Signalisierung zwischen PSE und PD vor, so dass konforme Geräte von der PSE erkannt werden können. Der PSE legt eine Gleichspannung zwischen 2,8 und 10 Volt über den Leiter an und stellt durch Messung des Schleifenstroms fest, ob ein TE angeschlossen ist. Die PD sollte eine ohmsche Last zwischen 19 und 27 Kilohm (kΩ) mit einer Parallelkapazität von 120 Nanofarad (nF) aufweisen. Sobald die PD entdeckt wird, "verhandeln" PSE und PD über die erforderliche oder verfügbare Energiemenge.

Um der steigenden Zahl von Geräten gerecht zu werden, die mehr Leistung als die 15,4 W des ursprünglichen Standards benötigen, wurde 2009 "PoE+" (IEEE 802.3at "Typ 2") eingeführt. Die Technologie kann bis zu nominal 25,5 Watt an die PD liefern. Der PoE+-Strom wird von den 350 mA des ursprünglichen Standards auf 600 mA erhöht. (Weitere Informationen zu PoE und PoE+ finden Sie im DigiKey Fachartikel Einführung in Power-over-Ethernet). Spätere Versionen, IEEE 802.3bt "Typ 3" und "Typ 4", liefern nominell 60 Watt und 90 Watt bzw. 600 mA und 960 mA.

Implementierung eines Midspan-PoE-Entwurfs

PSEs befinden sich entweder in einem Endspan am Switch/Hub oder sind als Midspan implementiert. Eine Endspan-PSE sitzt typischerweise in einem Ethernet-Switch, während eine Midspan-PSE ein "Strominjektor" ist, der sich irgendwo zwischen einem normalen Ethernet-Switch und dem PD befindet und Strom über die Netzwerkverkabelung liefert, ohne die Datenübertragung zu beeinträchtigen. Die Möglichkeit, PSEs in Midspans zu installieren, ermöglicht die Einführung von PoE in Legacy-Netzwerken, wo es teuer wäre, vorhandene Ethernet-Switches durch neue Modelle mit PoE-Unterstützung zu ersetzen.

Bei einer PoE-Midspan-Implementierung wird der Strom direkt über die nicht verwendeten Ethernet-Paare verteilt. Der positive PoE-PSE-Ausgang (V+) ist mit den Leitungen 4 und 5 verbunden, während der negative PSE-Ausgang (V-) mit den Leitungen 7 und 8 verbunden ist. In dieser Konfiguration werden die Leistungspaare von den ursprünglichen Signalpaaren getrennt, die direkt durch den PoE-Midspan-Leistungsinjektor laufen. Diese Art der Implementierung wird mit einem Maxim Integrated MAX5969 einkanaligen PD-Controller und einem MAX5980 vierkanaligen PSE-Controller konfiguriert dargestellt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine PoE-Midspan-Implementierung, die Strom über die ehemals unbenutzten Stromleitungen in einem Ethernet Cat5-Kabel führt. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Der MAX5969 bietet eine vollständige Schnittstelle für eine PD, die IEEE 802.3af/at PoE-Systemen entspricht. Das Gerät liefert dem PD eine Erkennungssignatur, eine Klassifizierungssignatur und einen integrierten Isolationsschalter mit Einschaltstromsteuerung. Abhängig von der Eingangsspannung arbeitet der MAX5969 in einem von vier verschiedenen Modi: TE-Erkennung, TE-Klassifizierung, Markierungsereignis und TE-Leistung. Das Gerät geht in den TE-Erkennungsmodus, wenn die Eingangsspannung zwischen 1,4 und 10,1 Volt liegt, und in den TE-Klassifizierungsmodus, wenn sie zwischen 12,6 und 20 Volt liegt. Das Gerät geht in den TE-Leistungsmodus über, sobald die Eingangsspannung V_ON (35,4 Volt) überschreitet.

Der Vierkanal-PSE-Controller MAX5980 ist für den Einsatz in IEEE 802.3af/at PoE-PSE-Implementierungen vorgesehen. Dieses Gerät bietet PD-Erkennung, Klassifizierung, Strombegrenzung und Erkennung von Lastabschaltungen und bietet vier Betriebsmodi:

• Der Auto-Modus ermöglicht den automatischen Betrieb des Geräts mit seinen Standardeinstellungen ohne jegliche Software
• Der halbautomatische Modus erkennt und klassifiziert die an die Anschlüsse angeschlossenen Geräte automatisch, aber er versorgt einen Anschluss erst dann mit Strom, wenn er von der Software angewiesen wird.
• Der manuelle Modus ermöglicht die vollständige Softwaresteuerung des Geräts und ist für die Systemdiagnose nützlich
• Der Abschaltmodus beendet alle Aktivitäten und schaltet die Stromzufuhr zu den Anschlüssen sicher ab

Maxim liefert das MAX5980EVKIT Evaluation Kit (EK) für die Entwicklungsarbeit mit dem MAX5980. Der EK verfügt über einen Ethernet-PSE-Schaltkreis mit vier Ports, bestehend aus dem PSE-Controller MAX5980 und vier N-Kanal-Leistungs-MOSFETs für Stromversorgungen von -48 oder -54 Volt. Das EV-Kit implementiert einen separaten, unabhängigen Stromkanal für jeden der vier Ethernet-Ausgangsports und ermöglicht es dem Techniker, die volle Funktionalität des PSE-Controllers für jeden dieser Kanäle auszuüben. Es können konfigurierbare Betriebsmodi und Hochleistungsmodi (bis zu 30 Watt pro Port programmierbar) eingerichtet werden, und der Ingenieur kann mit Portstrominformationen über die I²C-Schnittstelle, TE-Erkennung, TE-Klassifizierung, Überstrom- und Unter-/Überspannungsschutz, Strom-Foldback und DC-Trennüberwachung experimentieren.

Die Konfiguration kann über eine PC-kompatible Software mit Zugriff auf jedes Register auf Bit-Ebene durchgeführt werden (Abbildung 2).

<Abbildung 2: Das MAX5980-Evaluierungskit enthält eine PC-kompatible Software, die eine einfache Konfiguration der vier vom PSE-Controller überwachten Ports ermöglicht. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Hinzufügen von PoE-basierter LED-Beleuchtung

Abgesehen vom Wegfall der Notwendigkeit, eine neue intelligente Lichtverkabelung zu installieren, liegt der Hauptvorteil von PoE-verbundener Beleuchtung in der Reduzierung der Komplexität der Stromversorgung der LED-Leuchte.

LED-Leuchten, die an PoE-Steckdosen angeschlossen sind, fungieren als PDs, die sauberen, geregelten Gleichstrom direkt aus dem Netz beziehen, ohne dass eine primäre Leistungsregelungsstufe zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und zur Herabsetzung der Netzspannung erforderlich ist. Allerdings ist die (nominale) 44-Volt-Gleichstromversorgung von PoE für die direkte Versorgung der LEDs ungeeignet, weshalb ein LED-Treiber zwischen der Versorgung und der Leuchte eingebaut werden sollte. Der LED-Treiber reguliert den Eingang und wandelt ihn in den von der LED benötigten konstanten Strom und die konstante Spannung um.

Ein gutes Beispiel für einen LED-Treiber, der für den PoE-Betrieb ausgelegt ist, ist der MAX16832 von Maxim Integrated. Bei dem Baustein handelt es sich um einen heruntergeregelten Konstantstrom-LED-Treiber mit hoher Helligkeit und einem Eingangsspannungsbereich von 6,5 bis 65 Volt, der einen konstanten Ausgangsstrom von bis zu 1 A mit einer Genauigkeit von ±3% liefert. Ein dedizierter PWM-Eingang ermöglicht das gepulste Dimmen von LEDs über einen weiten Helligkeitsbereich. Die 2-Megahertz (MHz)-Schaltung ermöglicht die Verwendung kleinerer magnetischer Komponenten. Es wird behauptet, dass der Wirkungsgrad bei etwa 95 Prozent liegt, wenn fünf LEDs in Reihe von einem 45-Volt-Eingang angesteuert werden. Eine analoge Thermal-Foldback-Funktion reduziert den LED-Strom, wenn die Temperatur der LED-Kette einen bestimmten Punkt überschreitet. Eine typische Anwendungsschaltung für den MAX16832 wird gezeigt (Abbildung 3).

Abbildung 3: MAX16832 LED-Treiber-Anwendungsschaltung mit hoher Helligkeit. Der Treiber eignet sich für PoE-LED-Beleuchtungsanwendungen. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Kombination von PoE-basierter LED-Beleuchtung mit Bluetooth LE

LEDs können präzise gedimmt, sofort ein- oder ausgeschaltet und so konfiguriert werden, dass viele Temperatur- und Farbvariationen möglich sind. Die Konnektivität ermöglicht dem Verbraucher einen einfachen Zugang zu dieser Anpassungsfähigkeit. Die direkte Nutzung des Ethernet-Netzwerks für intelligente Lichtverbindungen ist möglich, wird aber dadurch erschwert, dass das Netzwerk so ausgelegt ist, dass große Datenmengen häufig zwischen Computern übertragen werden und nicht nur selten winzige Mengen zwischen LED-Leuchten.

Im Gegensatz dazu ist Bluetooth LE ideal für die Anforderungen einer intelligenten Beleuchtungskonnektivität geeignet. Zu den Hauptvorteilen zählen die energieeffiziente Übertragung kleiner Datenmengen über eine Reichweite von bis zu 100 Metern (m), eine breite Anbieterbasis, die Interoperabilität mit Smartphones, die eine Konfiguration und Steuerung ohne zusätzliche Benutzerschnittstelle ermöglicht, sowie die Mesh-Netzwerkfähigkeit zur Unterstützung der sofortigen Steuerung bestimmter Leuchten oder Leuchtengruppen. (Weitere Informationen zum Design von Bluetooth-Mesh finden Sie im DigiKey-Fachartikel Designing Bluetooth Low Energy Smart Applications with Bluetooth Mesh).

Das Hinzufügen von Bluetooth LE zu einer PoE-LED-Leuchte ist nicht trivial (weitere Informationen zum Design mit Bluetooth LE finden Sie im DigiKey-Fachartikel Bluetooth 4.1, 4.2 und 5 Kompatible Bluetooth Low Energy SoCs und Tools Meet IoT Challenges), aber aufgrund der klaren Vorteile, die dies mit sich bringt, eine lohnende Übung. Darüber hinaus wurde die Entwicklung PoE-basierter, drahtlos verbundener Smart Light-Prototypen durch Referenzdesigns und Evaluierungskits von Chip-Herstellern wesentlich erleichtert.

Ein Beispiel ist das PoE-Referenzdesign von STMicroelectronics mit Bluetooth LE-Konnektivität, das STEVAL-POEL45W1. Das Referenzdesign basiert auf der PM8805 IEEE802.3bt-konformen PD PoE-Schnittstelle des Unternehmens, einem LED-Treiber, der bis zu 3 Ampere Strom liefern kann, und einem Bluetooth LE-Modul. Das Referenzdesign liefert eine Ausgangsleistung von 45 Watt.

Die mit dem Referenzdesign angebotene Firmware (STSW-POEL45FW) kommuniziert mit einer Android-Anwendung für die PoE-Beleuchtung, die die Verwaltung der EIN/AUS-Modi des LED-Treibers und das Dimmen durch Steuerung des Tastverhältnisses mit 500 Hertz (Hz) Pulsweitenmodulation (PWM) ermöglicht (ebenfalls von der Firmware generiert). Dem Designer steht es auch frei, Anwendungssoftware für eine verbesserte drahtlose Konfiguration und Steuerung der LEDs zu entwickeln und den Bluetooth LE-Chip mit dem Dienstprogramm STSW-BNRG1STLINK des Unternehmens zu programmieren.

Das Angebot von ON Semiconductor ist die LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform. Das Produkt umfasst mehrere Plug-in-Evaluierungs-Boards (mit Unterstützung für duale LED-Treiber, LED-Beleuchtung und Bluetooth-LED-Funktionalität), die zu einer kompletten kommerziellen Beleuchtungslösung mit drahtloser Konnektivität aufgebaut werden können. Die Standard-Stromversorgung ist ein AC/DC-Wandler, aber das Unternehmen bietet auch eine PoE-Stromversorgung an, die LIGHTING-POWER-POE-GEVB (Abbildung 4).

<Abbildung 4: Die PoE-Stromversorgung von ON Semiconductor zur Verwendung mit der Connected Lighting Platform des Unternehmens wandelt eine LED-Leuchte in eine IEEE 802.3af/at/bt-konforme PD um. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Das Herzstück der PoE-Stromversorgung ist der firmeneigene NCP1096PAR2G PoE-PD-Controller. Der Chip wandelt die LED-Leuchte in eine IEEE 802.3af/at/bt-konforme PD um. Der NCP1096 unterstützt Hochleistungsanwendungen (bis zu 90 Watt) über einen internen Pass-Transistor.

Um die Connected Lighting Platform mit einer PoE-Stromversorgung zu verwenden, muss ein PSE-Midspan-Leistungsinjektor an den Eingang der Stromversorgung angeschlossen werden. ON Semiconductor empfiehlt den Phihong POE90U-1BT-2-R, einen Midspan-Leistungsinjektor mit bis zu 90 Watt bei 56 Volt von 100 bis 240 Volt Eingangsspannung.

Sobald der PSE-Midspan-Leistungsinjektor an den PoE-Stromversorgungseingang angeschlossen ist, müssen lediglich der LED-Treiber an den Stromversorgungsausgang, die LEDs an den Treiberausgang und das Bluetooth-LE-Konnektivitätsmodul an den Anschluss am LED-Treiber angeschlossen werden, um ein vollständiges PoE-basiertes, drahtlos verbundenes Hardwaresystem zu erhalten.

Die Firmware-Entwicklung für die Connected Lighting Platform erfolgt über das Bluetooth CMSIS Software Development Kit (SDK) des Unternehmens, ein Designtool, das auf einer Reihe von integrierten Entwicklungsumgebungen (IDEs) läuft. Die Firmware läuft auf FreeRTOS, einem Echtzeitbetriebssystem, das als Teil des CMSIS SDKs enthalten ist. Nach der Installation auf der IDE ermöglicht das SDK dem Entwickler, mit den folgenden Bluetooth LE-Diensten zu experimentieren:

• Dienst für Lichtsteuerung: Wird von angeschlossenen Geräten verwendet, um den Status der angeschlossenen LED-Strings zu lesen und zu ändern.
• Telemetrie-Dienst: Setzt von der Plattform gemessene Variablen angeschlossenen Geräten aus. Zu den Variablen gehören der durch jeden LED-Treiber fließende Strom und die Systemspannung.
• PoE-Stromlieferdienst: Ermöglicht es dem Peer-Gerät, Informationen über die durch PoE auferlegten Leistungsbegrenzungen für das Gerät abzurufen, die zwischen dem PoE-Injektor und der Plattform ausgehandelt wurden.

Das Bluetooth CMSIS SDK enthält eine Reihe von Beispielanwendungen, die einfach in den IDE-Arbeitsbereich importiert und von dort auf den Bluetooth LE-Chip in der Connected Lighting Platform portiert werden können (Abbildung 5).

<Abbildung 5: Das Bluetooth CMSIS SDK von ON Semiconductor enthält Beispiel-Beleuchtungsanwendungen zur Verwendung mit der Connected Lighting Platform des Unternehmens. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die Connected Lighting Platform wird außerdem von einer zugehörigen Smartphone-App begleitet, der RSL10 Sense and Control App, die sowohl mit iOS- als auch mit Android-Smartphones kompatibel ist. Sobald die App auf das Smartphone heruntergeladen wurde, fordert sie den Entwickler auf, die App mit der Connected Lighting Platform zu koppeln. Von der App aus kann der Entwickler dann:

• Anzeige von gemessenen LED-Kanalströmen und Systemspannungs-Telemetriedaten
• Unabhängige Einstellung des PWM-Tastverhältnisses jedes LED-Kanals (und damit Steuerung des Dimmens)
• Informationen über ausgehandelte Leistungsgrenzen zwischen dem PoE-PD-Controller und PSE anzeigen (Abbildung 6)

Abbildung 6: Die ON Semiconductor Sense and Control App liefert Konfigurations- und Leistungsinformationen von der Connected Lighting Platform. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Fazit:

Intelligente Beleuchtung verbindet effiziente und langlebige LEDs mit dem Komfort einer drahtlosen Verbindung. Eine einfache, kostengünstige Alternative zur Aufrüstung der bestehenden Infrastruktur ist die Implementierung von PoE in kommerziellen Ethernet-Netzwerken, um LED-Leuchten mit Strom zu versorgen und Bluetooth-LE-Konnektivität für die drahtlose Konfiguration und Steuerung der Beleuchtung von Smartphones aus hinzuzufügen.

Obwohl das Design PoE-basierter, drahtloser intelligenter Beleuchtung nicht trivial ist, gibt es viele ausgereifte PoE PSE- und PD-Lösungen, eine Reihe PoE-kompatibler LED-Treiber, und Bluetooth LE wurde im Hinblick auf intelligente Beleuchtung entwickelt. Darüber hinaus wird der Entwicklungsprozess erleichtert, wenn die Prototyp-Entwürfe auf leicht erhältlichen PoE- und Bluetooth LE-Evaluierungskits und Firmware-Beispielen von großen Chiplieferanten basieren.