Combiner PoE et Bluetooth Low Energy pour implémenter efficacement une infrastructure d'éclairage intelligent

L'éclairage intelligent combine des LED efficaces et durables avec une connectivité sans fil qui permet aux gestionnaires de bâtiments de personnaliser l'éclairage en fonction de l'occupation et de réduire la consommation d'énergie. L'installation d'un éclairage intelligent dans les nouveaux bâtiments est relativement simple, mais la modernisation des bâtiments existants est complexe et beaucoup plus onéreuse. Les gestionnaires d'immeubles établis recherchent des alternatives moins coûteuses pouvant leur permettre de bénéficier des avancées en matière d'éclairage.

Une alternative simple et économique consiste à ajouter l'alimentation par Ethernet (Power-over-Ethernet, PoE) aux réseaux Ethernet existants pour alimenter les LED. L'inconvénient est que l'Ethernet est moins adapté à la connectivité de l'éclairage intelligent car il a été conçu pour transférer des volumes d'informations élevés et fréquents entre des ordinateurs plutôt les transmissions de données faibles et peu fréquentes utilisées pour le contrôle et la configuration de l'éclairage intelligent.

La solution consiste à combiner le PoE avec la connectivité Bluetooth Low Energy (LE) pour une configuration et un contrôle sans fil depuis des smartphones. Cette norme RF à courte portée a déjà été largement adoptée pour l'éclairage intelligent et, surtout, elle est interopérable avec les smartphones. Cette interopérabilité garantit que l'éclairage peut être contrôlé directement à partir d'applications sur des téléphones portables sans avoir besoin d'interfaces utilisateur propriétaires coûteuses.

Cet article présente la technologie PoE, explique les avantages de l'infrastructure d'éclairage LED basée sur PoE et décrit comment les concepteurs peuvent mettre en œuvre des solutions d'éclairage LED PoE. L'article explique ensuite comment mettre en œuvre la configuration et le contrôle sans fil du réseau à l'aide de Bluetooth LE en se référant aux conceptions de référence PoE plus Bluetooth LE et aux kits d'évaluation de Maxim Integrated, STMicroelectronics et ON Semiconductor.

Brève présentation de PoE

La technologie PoE originale (IEEE 802.3af « Type 1 ») fournissait une puissance CC nominale de 15,4 watts (W) (44 volts (V) CC minimum et 350 milliampères (mA)) à chaque dispositif. Cette technologie utilise le connecteur RJ45 et le câble Cat5 communs aux réseaux Ethernet.

Le courant peut être transmis sur les conducteurs inutilisés du câble Ethernet, « Alternative B », ou via les conducteurs de données du câble en appliquant une tension de mode commun à chaque paire qui n'interfère pas avec la transmission de données de signalisation différentielle du câble, « Alternative A ».

La norme IEEE 802.3af définit deux types de dispositifs PoE, l'équipement de source d'alimentation (Power Sourcing Equipment, PSE) et le dispositif alimenté (Powered Device, PD). L'équipement PSE tire son énergie de sa propre alimentation conventionnelle, puis gère ensuite l'énergie envoyée sur le réseau câblé Ethernet au dispositif PD, qui prend l'énergie dont il a besoin du PoE. Les normes PoE IEEE prévoient une signalisation entre les équipements PSE et les dispositifs PD, permettant à l'équipement PSE de détecter les dispositifs conformes. L'équipement PSE applique une tension CC comprise entre 2,8 V et 10 V sur le conducteur et détermine s'il y a un dispositif PD connecté en mesurant le courant de boucle. Le dispositif PD doit présenter une charge résistive comprise entre 19 kilohms (kΩ) et 27 kΩ avec une capacité parallèle de 120 nanofarads (nF). Une fois que le dispositif PD est détecté, l'équipement PSE et le dispositif PD « négocient » la quantité de puissance nécessaire ou disponible.

Afin de répondre au nombre croissant de dispositifs exigeant une puissance supérieure aux 15,4 W de la norme d'origine, le « PoE+ » (IEEE 802.3at « Type 2 ») a été introduit en 2009. Cette technologie peut fournir jusqu'à 25,5 W au dispositif PD. Le courant PoE+ passe de 350 mA de la norme d'origine à 600 mA. (Pour en savoir plus sur PoE et PoE+, consultez l'article technique de Digi-Key « Présentation de Power over Ethernet ».) Les versions ultérieures, IEEE 802.3bt « Type 3 » et « Type 4 », fournissent une puissance nominale de 60 W et 90 W, et 600 mA et 960 mA respectivement.

Mise en œuvre d'une conception d'injecteur Poe Midspan

Les équipements PSE sont soit positionnés dans un terminal Endspan au niveau du commutateur/concentrateur, soit implémentés en tant qu'injecteur Midspan. Un équipement PSE Endspan typique est placé dans un commutateur Ethernet tandis qu'un équipement PSE Midspan est un « injecteur de puissance » qui réside quelque part entre un commutateur Ethernet normal et le dispositif PD, fournissant l'alimentation via le câblage réseau sans affecter la transmission des données. La possibilité d'installer les équipements PSE dans les injecteurs Midspan permet d'introduire le PoE dans les réseaux hérités où il serait coûteux de remplacer les commutateurs Ethernet existants par de nouveaux modèles prenant en charge le PoE.

Dans une implémentation d'injecteur PoE Midspan, l'alimentation est distribuée directement via les paires Ethernet inutilisées. La sortie PSE PoE positive (V+) est connectée aux fils 4 et 5, tandis que la sortie PSE négative (V-) est connectée aux fils 7 et 8. Dans cette configuration, les paires d'alimentation sont séparées des paires de signaux d'origine, qui passent directement dans l'injecteur de puissance PoE Midspan. Ce type d'implémentation est configuré en utilisant un contrôleur PD à un canal MAX5969 et un contrôleur PSE à quatre canaux MAX5980 de Maxim Integrated (Figure 1).

Figure 1 : Implémentation d'un injecteur PoE Midspan transportant l'énergie via les fils d'alimentation précédemment inutilisés dans un câble Ethernet Cat5. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Le MAX5969 fournit une interface complète pour un dispositif PD conforme avec les systèmes PoE IEEE 802.3af/at. Le dispositif fournit au dispositif PD une signature de détection, une signature de classification et un commutateur d'isolement intégré avec contrôle du courant d'appel. En fonction de la tension d'entrée, le MAX5969 fonctionne dans l'un des quatre modes suivants : détection PD, classification PD, événement de marquage et alimentation PD. Le dispositif entre en mode de détection PD lorsque la tension d'entrée est comprise entre 1,4 V et 10,1 V, et en mode de classification PD lorsqu'elle est comprise entre 12,6 V et 20 V. Le dispositif entre en mode d'alimentation PD dès que la tension d'entrée dépasse V_ON (35,4 V).

Le contrôleur PSE à quatre canaux MAX5980 est conçu pour être utilisé dans les implémentations PSE PoE IEEE 802.3af/at. Ce dispositif permet la découverte du dispositif PD, la classification, la limite de courant et la détection de déconnexion de charge, et offre quatre modes de fonctionnement :

• Le mode automatique permet au dispositif de fonctionner automatiquement avec ses paramètres par défaut sans aucun logiciel
• Le mode semi-automatique détecte et classifie automatiquement les dispositifs connectés aux ports, mais n'alimente pas un port tant qu'il ne reçoit pas d'instruction du logiciel
• Le mode manuel permet un contrôle logiciel total du dispositif et est utile pour les diagnostics du système
• Le mode d'arrêt met fin à toutes les activités et désactive en toute sécurité l'alimentation des ports

Maxim fournit le kit d'évaluation (EK) MAX5980EVKIT pour le travail de développement avec le MAX5980. Le kit d'évaluation inclut un circuit PSE à quatre ports Ethernet — comprenant le contrôleur PSE MAX5980 et quatre MOSFET de puissance à canal N — pour des alimentations de -48 V ou -54 V. Le kit d'évaluation implémente un canal d'alimentation indépendant distinct pour chacun des quatre ports de sortie Ethernet et permet à l'ingénieur d'exercer les pleines fonctionnalités du contrôleur PSE pour chacun de ces canaux. Des modes opérationnels configurables et des modes haute puissance (programmables jusqu'à 30 W par port) peuvent être définis, et l'ingénieur peut faire des tests avec les informations du port via l'interface I²C, la détection PD, la classification PD, la protection contre les surintensités et les sous-tensions/surtensions, le repli de courant et la surveillance de déconnexion CC.

La configuration peut être effectuée via le logiciel compatible PC, avec accès à chaque registre au niveau des bits (Figure 2).

Figure 2 : Le kit d'évaluation MAX5980 inclut un logiciel compatible PC qui permet la configuration simple des quatre ports supervisés par le contrôleur PSE. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Ajout d'un éclairage LED basé sur PoE

En plus d'éliminer le recours à un nouveau câblage d'éclairage intelligent, l'avantage principal de l'éclairage connecté PoE est la réduction de la complexité de l'alimentation du luminaire LED.

Les luminaires LED connectés aux prises PoE agissent comme des dispositifs PD, absorbant une alimentation CC propre et régulée directement du réseau, sans avoir besoin d'un étage de régulation d'alimentation primaire pour convertir le courant CA en CC et abaisser la tension secteur. Cependant, l'alimentation CC (nominale) de 44 V du PoE ne convenant pas pour alimenter directement les LED, il faut installer un circuit d'attaque LED entre l'alimentation et l'éclairage. Le circuit d'attaque LED régule l'entrée en la convertissant en courant constant et tension constante requis par la LED.

Un bon exemple de circuit d'attaque LED conçu pour le fonctionnement PoE est le MAX16832 de Maxim Integrated. Le dispositif est un circuit d'attaque LED abaisseur haute luminosité à courant constant, avec une plage de tensions d'entrée de 6,5 V à 65 V qui fournit un courant de sortie constant jusqu'à 1 A avec une précision de ±3 %. Une entrée PWM dédiée permet la gradation LED pulsée sur une vaste plage de niveaux de luminosité. La commutation de 2 mégahertz (MHz) permet l'utilisation de composants magnétiques plus petits. Le rendement est d'environ 95 % lorsqu'on fait fonctionner cinq LED en série à partir d'une entrée de 45 V. Une fonction de repli thermique analogique réduit le courant LED lorsque la température de la chaîne de LED dépasse un point donné. Un circuit d'application typique pour le MAX16832 est illustré (Figure 3).

Figure 3 : Circuit d'application du circuit d'attaque LED haute luminosité MAX16832. Le circuit d'attaque est adapté aux applications d'éclairage LED PoE. (Source de l'image : Maxim Integrated)

Combiner l'éclairage LED PoE avec Bluetooth LE

Les LED peuvent être réglées avec précision, allumées ou éteintes instantanément, et configurées pour donner de nombreuses variations de température et de couleur. La connectivité permet au consommateur d'accéder facilement à cette adaptabilité. Il est possible d'utiliser directement le réseau Ethernet pour la connectivité d'éclairage intelligent, mais cela est compliqué par le fait que le réseau est conçu pour transmettre fréquemment de grandes quantités de données entre les ordinateurs plutôt que de minuscules quantités ponctuellement entre les lampes LED.

En revanche, le Bluetooth LE est parfaitement adapté aux exigences de connectivité d'éclairage intelligent. Les avantages clés incluent le transfert écoénergétique de petites quantités de données sur une distance jusqu'à 100 mètres (m), une large base de fournisseurs, l'interopérabilité avec les smartphones — permettant la configuration et le contrôle sans interface utilisateur supplémentaire — et une capacité de réseau maillé pour prendre en charge le contrôle instantané de lampes spécifiques ou de groupes de lampes. (Pour plus d'informations sur la conception avec Bluetooth Mesh, consultez l'article technique de Digi-Key « Conception d'applications Bluetooth Low Energy intelligentes avec Bluetooth Mesh ».)

L'ajout de Bluetooth LE à un éclairage LED PoE n'est pas anodin (pour plus d'informations sur la conception avec Bluetooth LE, voir l'article technique de Digi-Key « Les outils et systèmes sur puce Bluetooth Low Energy, compatibles avec Bluetooth 4.1, 4.2 et 5, répondent aux défis de l'IoT »), mais c'est un exercice intéressant pour les avantages évidents qu'il apporte. De plus, le développement de prototypes d'éclairage intelligent sans fil PoE est considérablement simplifié grâce aux conceptions de référence et aux kits d'évaluation des fournisseurs de puces.

La conception de référence PoE de STMicroelectronics avec connectivité Bluetooth LE, STEVAL-POEL45W1, constitue un bon exemple. La conception de référence est basée sur l'interface PoE PD conforme IEEE 802.3bt PM8805 de la société, un circuit d'attaque LED capable de fournir jusqu'à 3 A de courant et un module Bluetooth LE. La conception de référence délivre une puissance de 45 W.

Le micrologiciel offert avec la conception de référence (STSW-POEL45FW) communique avec une application Android d'éclairage PoE permettant la gestion des modes ON/OFF du circuit d'attaque LED et la gradation par contrôle du rapport cyclique PWM (modulation de largeur d'impulsion) de 500 hertz (Hz) (également généré par le micrologiciel). Le concepteur est également libre de développer un logiciel d'application pour une configuration et un contrôle sans fil améliorés des LED, et de programmer la puce Bluetooth LE à l'aide de l'utilitaire STSW-BNRG1STLINK de la société.

L'offre d'ON Semiconductor est la plateforme d'éclairage connecté LIGHTING-1-GEVK. Le produit comprend plusieurs cartes d'évaluation enfichables (prenant en charge le circuit d'attaque LED double, l'éclairage LED et les fonctionnalités Bluetooth LE) qui peuvent être intégrées dans une solution d'éclairage commercial complète avec connectivité sans fil. L'alimentation par défaut est un convertisseur CA/CC, mais la société fournit également une alimentation PoE, LIGHTING-POWER-POE-GEVB (Figure 4).

Figure 4 : L'alimentation PoE d'ON Semiconductor, destinée à être utilisée avec la plateforme d'éclairage connecté de la société, convertit un luminaire LED en un dispositif PD conforme IEEE 802.3af/at/bt. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le cœur de l'alimentation PoE est le contrôleur PoE PD NCP1096PAR2G de la société. La puce convertit le luminaire LED en un dispositif PD conforme IEEE 802.3af/at/bt. Le NCP1096 prend en charge les applications haute puissance (jusqu'à 90 W) grâce à un transistor ballast interne.

L'utilisation de la plateforme d'éclairage connecté avec une alimentation PoE implique la connexion d'un injecteur de puissance Midspan PSE à l'entrée de l'alimentation. ON Semiconductor recommande le POE90U-1BT-2-R de Phihong, un injecteur de puissance Midspan offrant jusqu'à 90 W à 56 V depuis une entrée de 100 V à 240 V.

Une fois l'injecteur de puissance Midspan PSE branché à l'entrée de l'alimentation PoE, il suffit de connecter le circuit d'attaque LED à la sortie de l'alimentation, les LED à la sortie du circuit d'attaque et le module de connectivité Bluetooth LE au connecteur du circuit d'attaque LED pour obtenir un système matériel complet basé sur PoE et connecté sans fil.

Le développement du micrologiciel pour la plateforme d'éclairage connecté se fait par le biais du kit de développement logiciel (SDK) Bluetooth CMSIS de la société, un outil de conception qui fonctionne sur de nombreux environnements de développement intégrés (IDE). Le micrologiciel fonctionne sur FreeRTOS, un système d'exploitation en temps réel qui est inclus dans le SDK CMSIS. Une fois installé dans l'IDE, le SDK permet au concepteur d'expérimenter les services Bluetooth LE suivants :

• Service de contrôle de l'éclairage : utilisé par les dispositifs connectés pour lire et modifier l'état des chaînes de LED connectées.
• Service de télémétrie : expose les variables mesurées par la plateforme aux dispositifs connectés. Les variables incluent le courant circulant dans chaque circuit d'attaque LED et la tension système.
• Service de distribution de puissance PoE : permet au dispositif homologue de récupérer des informations sur les limites de puissance imposées par le PoE au dispositif, qui ont été négociées entre l'injecteur PoE et la plateforme.

Le SDK Bluetooth CMSIS inclut un certain nombre d'applications d'exemple pouvant être facilement importées dans l'espace de travail IDE et, de là, transférées sur la puce Bluetooth LE dans la plateforme d'éclairage connecté (Figure 5).

Figure 5 : Le kit SDK Bluetooth CMSIS d'ON Semiconductor inclut des applications d'éclairage d'exemple à utiliser avec la plateforme d'éclairage connecté de la société. (Source de l'image : ON Semiconductor)

La plateforme d'éclairage connecté est également accompagnée d'une application smartphone associée, l'application RSL10 Sense and Control, compatible avec les smartphones iOS et Android. Une fois l'application téléchargée sur le smartphone, le développeur est invité à appairer l'application avec la plateforme d'éclairage connecté. À partir de l'application, le développeur peut alors :

• Afficher les données de télémétrie de la tension système et des courants des canaux LED mesurés
• Définir le rapport cyclique PWM de chaque canal LED indépendamment (et donc contrôler la gradation)
• Afficher des informations sur les limites de puissance négociées entre le contrôleur PoE PD et l'équipement PSE (Figure 6)

Figure 6 : L'application Sense and Control d'ON Semiconductor fournit des informations sur la configuration et les performances de la plateforme d'éclairage connecté. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Conclusion

L'éclairage intelligent associe des LED efficaces et durables avec le confort de la connectivité sans fil. Une alternative simple et rentable pour la mise à niveau des infrastructures existantes consiste à déployer le PoE sur les réseaux Ethernet commerciaux afin d'alimenter l'éclairage LED et d'ajouter la connectivité Bluetooth LE pour la configuration et le contrôle sans fil de l'éclairage depuis des smartphones.

Bien que concevoir un éclairage intelligent PoE sans fil ne soit pas anodin, il existe de nombreuses solutions PoE PSE et PD matures, et une gamme de circuits d'attaque LED compatibles PoE et Bluetooth LE a été spécialement conçue pour l'éclairage intelligent. En outre, le processus de développement est facilité lorsque les prototypes sont conçus à partir de kits d'évaluation PoE plus Bluetooth LE facilement disponibles et d'exemples de micrologiciels des principaux fournisseurs de puces.