Combinare PoE con Bluetooth Low Energy per implementare in modo efficace un'infrastruttura di illuminazione intelligente

L'illuminazione intelligente combina LED efficienti e di lunga durata con la connettività wireless che consente ai gestori degli edifici di personalizzare l'illuminazione in base alla presenza di persone e di ridurre al minimo il consumo energetico. L'installazione di luci intelligenti nei nuovi edifici è relativamente semplice, ma l'adeguamento degli edifici esistenti è complesso e molto più costoso. I gestori di edifici esistenti sono alla ricerca di alternative più economiche che consentano loro di trarre vantaggio dai progressi fatti nel campo dell'illuminazione.

Un'alternativa semplice ed economica è quella di aggiungere Power over Ethernet (PoE) alle reti Ethernet esistenti per alimentare i LED. Il rovescio della medaglia è che Ethernet è meno adatta alla connettività di luci intelligenti perché è stata progettata per trasferire frequenti ed elevati volumi di informazioni tra computer anziché le piccole e infrequenti trasmissioni di dati utilizzate per il controllo e la configurazione dell'illuminazione intelligente.

La soluzione è quella di combinare PoE con la connettività Bluetooth Low Energy (LE) per la configurazione e il controllo wireless da smartphone. Questo standard RF a corto raggio ha già visto un'ampia adozione per l'illuminazione intelligente e, soprattutto, è interoperabile con gli smartphone. Questa interoperabilità garantisce che le luci possano essere controllate direttamente da un'app senza la necessità di costose interfacce utente proprietarie.

Questo articolo introduce PoE, spiega i vantaggi dell'infrastruttura di illuminazione a LED basata su PoE e descrive come i progettisti possono implementare soluzioni di illuminazione a LED PoE. L'articolo descrive quindi come implementare la configurazione e il controllo wireless della rete utilizzando Bluetooth LE facendo riferimento ai progetti di riferimento PoE+ Bluetooth LE e ai kit di valutazione di Maxim Integrated, STMicroelectronics e ON Semiconductor.

Breve introduzione di PoE

La tecnologia PoE originale (IEEE 802.3af "Tipo 1") forniva una potenza nominale di 15,4 W di corrente continua (minimo 44 V c.c. e 350 mA) a ogni dispositivo. La tecnologia utilizza il connettore RJ45 e il cavo Cat5 comune alle reti Ethernet.

L'energia può essere trasmessa sui conduttori non utilizzati del cavo Ethernet, "Alternativa B", o attraverso i conduttori dati del cavo applicando a ciascuna coppia una tensione di modo comune che non interferisce con la trasmissione dati a segnalazione differenziale del cavo, "Alternativa A".

IEEE 802.3af definisce due tipi di dispositivi PoE, PSE (Power Source Equipment) e PD (Powered Device). Il PSE prende l'alimentazione dal proprio alimentatore convenzionale e poi gestisce quella inviata attraverso la rete di cavi Ethernet al PD, che prende quanto gli serve da PoE. Gli standard IEEE PoE prevedono la segnalazione tra PSE e PD, che permette ai dispositivi conformi di essere rilevati dal PSE. Il PSE applica una tensione continua tra 2,8 e 10 V attraverso il conduttore e determina se è collegato un PD misurando la corrente dell'anello. Il PD dovrebbe presentare un carico resistivo compreso tra 19 e 27 kΩ con una capacità in parallelo di 120 nF. Una volta rilevato PD, PSE e PD "negoziano" la quantità di potenza richiesta o disponibile.

Per soddisfare il crescente numero di dispositivi che richiedono più potenza rispetto ai 15,4 W dello standard originale, nel 2009 è stato introdotto "PoE+" (IEEE 802.3at "Tipo 2"). La tecnologia può fornire fino a 25,5 W nominali al PD. A 600 mA, la corrente PoE+ è maggiore rispetto ai 350 mA dello standard originale. (Per ulteriori informazioni su PoE e PoE+ vedere l'articolo tecnico Digi-Key Introduzione a Power over Ethernet). Le versioni successive, IEEE 802.3bt "Tipo 3" e "Tipo 4", forniscono rispettivamente 60 W e 90 W e 600 mA e 960 mA nominali.

Implementazione di un progetto PoE midspan

I PSE sono posizionati come endspan in corrispondenza dello switch/hub o implementati come midspan. Un PSE endspan si trova tipicamente all'interno di uno switch Ethernet mentre un PSE midspan è un "iniettore di potenza" che risiede da qualche parte tra un normale switch Ethernet e il PD, fornendo l'alimentazione attraverso il cablaggio di rete senza influenzare la trasmissione dei dati. La possibilità di installare i PSE come midspan permette di introdurre PoE nelle reti legacy dove sarebbe costoso sostituire gli switch Ethernet esistenti con nuovi modelli che supportano PoE.

In un'implementazione PoE midspan, l'alimentazione viene distribuita direttamente attraverso le coppie Ethernet inutilizzate. L'uscita positiva PoE PSE (V+) è collegata ai fili 4 e 5, mentre l'uscita negativa PSE (V-) è collegata ai fili 7 e 8. In questa configurazione, le coppie di potenza sono separate dalle coppie di segnali originali, che passano direttamente attraverso l'iniettore di potenza PoE midspan. Questo tipo di implementazione è mostrato già configurato usando un controller PD a canale singolo MAX5969 e un controller PSE a quattro canali MAX5980 di Maxim Integrated (Figura 1).

Figura 1: Un'implementazione PoE midspan che trasporta l'alimentazione attraverso i conduttori di alimentazione precedentemente inutilizzati di un cavo Ethernet Cat5. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

MAX5969 fornisce un'interfaccia completa per un PD conforme ai sistemi PoE IEEE 802.3af/at. I dispositivi offrono al PD una signature di rilevamento, una di classificazione e un interruttore integrato isolato con controllo della corrente di inserzione. A seconda della tensione di ingresso, MAX5969 funziona in una delle quattro diverse modalità: rilevamento PD, classificazione PD, segna evento e alimentazione PD. Il dispositivo entra in modalità di rilevamento PD quando la tensione di ingresso è compresa tra 1,4 e 10,1 V, e in modalità di classificazione PD quando è compresa tra 12,6 e 20 V. Il dispositivo entra in modalità di alimentazione PD quando la tensione di ingresso supera V_ON (35,4 V).

Il controller PSE a quattro canali MAX5980 è progettato per l'uso nelle implementazioni PoE PSE IEEE 802.3af/at. Questo dispositivo fornisce il rilevamento PD, la classificazione, il limite di corrente e il rilevamento di disconnessione del carico e offre quattro modalità operative:

• La modalità automatica consente al dispositivo di funzionare automaticamente con le impostazioni predefinite, senza software
• La modalità semiautomatica rileva e classifica automaticamente i dispositivi collegati alle porte, ma non alimenta una porta fino a quando non riceve un'istruzione dal software
• La modalità manuale consente il controllo totale da software del dispositivo ed è utile per la diagnostica del sistema
• La modalità di spegnimento termina tutte le attività e spegne in modo sicuro le porte

Maxim fornisce il kit di valutazione (EK) MAX5980EVKIT per lo sviluppo con MAX5980. L'EK è dotato di un circuito PSE Ethernet a quattro porte, composto dal controller PSE MAX5980 e da quattro MOSFET di potenza a canale N per alimentazione a -48 o -54 V. Il kit EV implementa un canale di alimentazione separato e indipendente per ciascuna delle quattro porte di uscita Ethernet e consente al tecnico di esercitare tutte le funzionalità del controller PSE per ciascuno di questi canali. Si possono impostare modalità operative configurabili e modalità ad alta potenza (programmabili fino a 30 W per porta) e l'ingegnere può provare le informazioni sulla corrente della porta attraverso l'interfaccia I²C, rilevamento PD, classificazione PD, protezione da sovracorrente e sotto/sovratensione, foldback di corrente e monitoraggio di disconnessione c.c.

La configurazione può essere completata tramite un software compatibile con PC, con accesso a ogni registro a livello di bit (Figura 2).

Figura 2: Il kit di valutazione MAX5980 include un software compatibile con PC per la semplice configurazione delle quattro porte supervisionate dal controller PSE. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Aggiunta di illuminazione a LED basata su PoE

Oltre a eliminare la necessità di installare nuovi cablaggi per luci intelligenti, il vantaggio chiave dell'illuminazione collegata a PoE è la minore complessità dell'alimentazione elettrica dell'apparecchio a LED.

Gli apparecchi di illuminazione a LED collegati alle prese PoE fungono da PD, traendo una potenza c.c. pulita e regolata direttamente dalla rete senza richiedere uno stadio di regolazione della potenza primaria per la conversione c.a./c.c. e lo step-down della tensione di rete. Tuttavia, l'alimentazione PoE (nominale) a 44 V c.c. non è adatta ad alimentare direttamente i LED, per cui si dovrebbe montare un driver LED tra l'alimentatore e la luce. Questo driver LED regola l'ingresso convertendolo in corrente costante, tensione costante necessaria al LED.

Un buon esempio di driver LED ideale per il funzionamento PoE è MAX16832 di Maxim Integrated. Si tratta di un driver LED a corrente costante step-down ad alta luminosità con un intervalli della tensione di ingresso da 6,5 a 65 V che fornisce una corrente di uscita costante fino a 1 A con una precisione del ±3%. Un ingresso PWM dedicato consente il dimmeraggio LED pulsato entro un ampio intervallo di livelli di luminosità. La commutazione a 2 MHz consente l'uso di componenti magnetici più piccoli. L'efficienza si attesta intorno al 95% quando si pilotano cinque LED in serie da un ingresso a 45 V. Una funzione di foldback termico analogico riduce la corrente dei LED quando la temperatura della stringa di LED supera un punto specificato. La Figura 3 mostra un tipico circuito applicativo per MAX16832.

Figura 3: Circuito applicativo del driver LED ad alta luminosità MAX16832. Il driver è adatto per applicazioni di illuminazione a LED PoE. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Illuminazione a LED basata su PoE combinata con Bluetooth LE

I LED possono essere regolati con precisione, accesi o spenti istantaneamente e configurati per molte variazioni di temperatura e di colore. La connettività consente al consumatore di accedere facilmente a questa versatilità. L'utilizzo della rete Ethernet direttamente per la connettività di luci intelligenti è possibile, ma è complicato dal fatto che la rete è progettata per trasmettere grandi quantità di dati frequentemente tra i computer, non piccole quantità infrequenti tra luci a LED.

Per contro, Bluetooth LE è ideale per soddisfare i requisiti della connettività per l'illuminazione intelligente. Tra i vantaggi principali vi sono il trasferimento efficiente di piccole quantità di dati su un raggio fino a 100 metri, un'ampia scelta di fornitori, l'interoperabilità con la configurazione e il controllo tramite smartphone senza la necessità di un'interfaccia utente aggiuntiva - e la connettività di rete a maglie per supportare il controllo istantaneo di luci specifiche o gruppi di luci. (Per ulteriori informazioni sulla progettazione con Bluetooth Mesh, vedere l'articolo tecnico Digi-Key Progettazione di applicazioni intelligenti Bluetooth Low Energy con Bluetooth Mesh.)

L'aggiunta di Bluetooth LE a una luce a LED PoE non è banale (per ulteriori informazioni sulla progettazione con Bluetooth LE, vedere l'articolo tecnico Digi-Key SoC e strumenti Bluetooth Low Energy compatibili con Bluetooth® 4.1, 4.2 e 5 pronti ad affrontare le sfide IoT), ma è uno sforzo utile per gli evidenti vantaggi che comporta. Inoltre, lo sviluppo di prototipi di luci intelligenti basati su PoE, collegati in modalità wireless, è stato reso molto più semplice grazie ai progetti di riferimento dei fornitori di chip e di kit di valutazione.

Un esempio è il progetto di riferimento PoE di STMicroelectronics con connettività Bluetooth LE, STEVAL-POEL45W1. Questo progetto di riferimento si basa sull'interfaccia PoE PD conforme allo standard IEEE802.3bt dell'azienda PM8805, un driver LED in grado di generare fino a 3 A di corrente e un modulo Bluetooth LE. Il progetto di riferimento fornisce una potenza di uscita di 45 W.

Il firmware offerto con il progetto di riferimento (STSW-POEL45FW) comunica con un'app Android che consente la gestione delle modalità ON/OFF del driver LED e il dimmeraggio mediante il controllo del ciclo di lavoro a 500 Hz con modulazione della larghezza di impulso (PWM) (anch'esso generato dal firmware). Il progettista è anche libero di sviluppare un software applicativo per una migliore configurazione e controllo wireless dei LED e di programmare il chip Bluetooth LE mediante l'utilità STSW-BNRG1STLINK dell'azienda.

ON Semiconductor offre LIGHTING-1-GEVKConnected Lighting Platform. Questo prodotto comprende diverse schede di valutazione plug-in (che supportano un doppio driver LED, illuminazione a LED e funzionalità Bluetooth LE) che possono essere integrate in una soluzione completa di illuminazione commerciale con connettività wireless. L'alimentatore predefinito è un convertitore c.a./c.c., ma l'azienda fornisce anche un alimentatore PoE, LIGHTING-POWER-POE-POE-GEVB (Figura 4).

Figura 4: L'alimentatore PoE di ON Semiconductor per l'uso con la Connected Lighting Platform dell'azienda converte un apparecchio di illuminazione a LED in un PD conforme a IEEE 802.3af/at/bt. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Al centro dell'alimentatore PoE vi è il regolatore PD PoE NCP1096PAR2G. Il chip converte l'apparecchio a LED in un PD conforme a IEEE 802.3af/at/bt. NCP1096 supporta applicazioni ad alta potenza (fino a 90 W) attraverso un pass transistor interno.

Per utilizzare la Connected Lighting Platform con un alimentatore PoE è necessario collegare un iniettore di potenza PSE midspan all'ingresso dell'alimentatore. ON Semiconductor consiglia POE90U-1BT-2-R di Phihong, un iniettore di potenza midspan che offre fino a 90 W a 56 V da un ingresso da 100 a 240 V.

Una volta collegato l'iniettore di potenza midspan PSE all'ingresso dell'alimentatore PoE, basta collegare il driver LED all'uscita dell'alimentatore, i LED all'uscita del driver e il modulo di connettività Bluetooth LE al connettore sul driver LED per avere un sistema hardware completo basato su PoE e wireless.

Lo sviluppo del firmware per la Connected Lighting Platform avviene tramite il kit di sviluppo software (SDK) Bluetooth CMSIS dell'azienda, uno strumento di progettazione che funziona con una serie di ambienti di sviluppo integrati (IDE). Il firmware si esegue su FreeRTOS, un sistema operativo in tempo reale incluso nell'SDK CMSIS. Una volta installato sull'IDE, l'SDK permette al progettista di sperimentare i seguenti servizi Bluetooth LE:

• Servizio di controllo luci: usato dai dispositivi collegati per leggere e cambiare lo stato delle stringhe di LED collegate.
• Servizio di telemetria: espone le variabili misurate dalla piattaforma ai dispositivi collegati. Le variabili includono la corrente attraverso ogni driver LED e la tensione del sistema.
• Servizio PoE Power Delivery: permette al dispositivo peer di recuperare le informazioni sui limiti di potenza PoE imposti al dispositivo che sono stati negoziati tra l'iniettore PoE e la piattaforma.

L'SDK CMSIS Bluetooth include una serie di applicazioni di esempio che possono essere facilmente importate nell'IDE e da lì trasferite al chip Bluetooth LE nella Connected Lighting Platform (Figura 5).

Figura 5: L'SDK Bluetooth CMSIS di ON Semiconductor include applicazioni di illuminazione di esempio da utilizzare con la Connected Lighting Platform dell'azienda. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

La Connected Lighting Platform è inoltre corredata da un'app per smartphone, RSL10 Sense and Control, compatibile sia con iOS che con Android. Una volta scaricata sullo smartphone, l'app chiede allo sviluppatore di abbinarla alla Connected Lighting Platform. Dall'applicazione, lo sviluppatore può quindi:

• Visualizzare i dati telemetrici delle correnti dei canali LED misurati e della tensione di sistema
• Impostare in modo indipendente il ciclo di lavoro PWM di ogni canale LED (e quindi controllare il dimmeraggio)
• Visualizzare le informazioni sui limiti di potenza negoziati tra il controller PD PoE e PSE (Figura 6)

Figura 6: L'app Sense and Control di ON Semiconductor fornisce informazioni sulla configurazione e le prestazioni della Connected Lighting Platform. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Conclusione

L'illuminazione intelligente si sposa con i LED efficienti e di lunga durata con la comodità della connettività wireless. Un'alternativa semplice ed economica per l'aggiornamento dell'infrastruttura esistente è l'implementazione di PoE su reti commerciali Ethernet per alimentare le luci a LED e aggiungere connettività Bluetooth LE per la configurazione wireless e il controllo dell'illuminazione da uno smartphone.

Sebbene la progettazione dell'illuminazione intelligente wireless basata su PoE non sia banale, esistono molte soluzioni mature PoE PSE e PD e una gamma di driver LED compatibili con PoE e Bluetooth LE è stata appositamente progettata pensando all'illuminazione intelligente. Inoltre, lo sviluppo è facilitato se i progetti prototipo sono basati su kit di valutazione PoE+ Bluetooth LE ed esempi di firmware dei principali fornitori di chip.