Kombiner PoE med Bluetooth Low Energy for å implementere en smart infrastruktur for belysning på en effektiv måte

Smart belysning kombinerer effektive og langvarige lysdioder med trådløs tilkobling som gjør det mulig for bygningsledere å tilpasse belysningen slik at den passer til opphold og minimerer energibruken. Det er relativt enkelt å installere smart belysning i nye bygninger, men ettermontering på eksisterende bygninger er komplisert og langt dyrere. Bygningsforvaltere av etablerte eiendommer ser etter billigere alternativer som gjør dem i stand til å dra nytte av fremskritt i belysning.

Et enkelt, kostnadseffektivt alternativ er å legge Power-over-Ethernet (PoE) til eksisterende Ethernet-nettverk for å gi strøm til lysdioder. Ulempen er at Ethernet er mindre egnet for tilkobling av smart belysning fordi det var designet for å overføre hyppige, høye informasjonsvolumer mellom datamaskiner snarere enn de små, sjeldne dataoverføringene som brukes til styring (regulering) og konfigurasjon av smart belysning.

Løsningen er å kombinere PoE med Bluetooth Low Energy (LE) -tilkobling for trådløs konfigurasjon og styring fra smarttelefoner. Denne kortdistanse-RF-standarden har allerede blitt tatt i bruk i stor utstrekning for smart belysning, og er avgjørende for kompatibel med smarttelefoner. Denne interoperabiliteten sikrer at lysene kan styres direkte fra apper på håndsett uten behov for dyre, proprietære brukergrensesnitt.

Denne artikkelen introduserer PoE, forklarer fordelene med PoE-basert infrastruktur for LED-belysning, og beskriver hvordan designere kan implementere PoE-løsninger for LED-belysning. Artikkelen beskriver deretter hvordan du implementerer trådløs konfigurasjon og styring av nettverket ved hjelp av Bluetooth LE ved å referere til PoE pluss Bluetooth LE referansedesign og evalueringssett fra Maxim Integrated, STMicroelectronics og ON Semiconductor.

En kort introduksjon av PoE

Den opprinnelige PoE-teknologien (IEEE 802.3af "Type 1") leverte en nominell effekt på 15,4 watt (minimum 44 volt DC og 350 milliampere (mA)) til hver enhet. Teknologien bruker RJ45-kontakten og Cat5-kabelen som er felles for Ethernet-nettverk.

Strøm kan overføres på de ubrukte lederne til Ethernet-kabelen, «Alternativ B», eller via datalederne til kabelen ved å påføre et fellesmodus-spenning på hvert par som ikke forstyrrer kabelens differensielle signaloverføring av data, «Alternativ A».

IEEE 802.3af definerer to typer PoE-enheter, strømkildeenheter (PSE – Power Sourcing Equipment) og strømdrevet enhet (PD – Powered Device). PSE-en henter strøm fra sin egen konvensjonelle strømforsyning og administrerer deretter strømmen som sendes over Ethernet-kabelnettverket til PD-en, som tar strømmen den trenger fra PoE. IEEE PoE-standardene gir mulighet for signalering mellom PSE-en og PD-en, slik at innretninger som oppfyller kravene, kan påvises av PSE. PSE-en påfører en likestrømsspenning på mellom 2,8 og 10 volt over lederen og bestemmer om det er en PD tilkoblet ved å måle sløyfestrømmen. PD-en skal vise en resistiv last mellom 19 og 27 kilohm (kΩ) med en parallell kapasitans på 120 nanofarader (nF). Når PD-en er oppdaget, forhandler PSE-en og PD-en om hvor mye strøm som kreves eller er tilgjengelig.

For å ta hensyn til det økende antallet enheter som trenger mer strøm enn den opprinnelige standardens 15,4 W, ble «PoE+» (IEEE 802.3at «Type 2») introdusert i 2009. Teknologien kan levere opptil en nominell 25,5 watt til PD-en. PoE+ -strømmen økes fra den opprinnelige standardens 350 mA til 600 mA. (For mer om PoE og PoE+ se DigiKey teknisk artikkel En introduksjon av Power-over-Ethernet (norsk: Strøm over Ethernet – PoE).) Senere versjoner, IEEE 802.3bt «Type 3» og «Type 4», leverer en nominell 60 watt og 90 watt, og 600 mA og 960 mA.

Implementere en midspan PoE -design

PSE-er er enten plassert i et endspan ved bryteren/knutepunktet eller implementert som et midspan. En endspan-PSE sitter vanligvis i en Ethernet-bryter, mens en midspan-PSE er en «strøminjektor» som befinner seg et sted mellom en normal Ethernet-bryter og PD-en, og leverer strøm via nettverkskablene uten å påvirke dataoverføringen. Å kunne installere PSEs i midspan gjør det mulig å introdusere PoE til eldre nettverk der det ville være dyrt å erstatte eksisterende Ethernet-svitsjer med nye modeller som støtter PoE.

I en implementering av PoE-midspan distribueres strøm direkte gjennom de ubrukte Ethernet-parene. Den positive PoE PSE-utgangen (V+) er koblet til ledningene 4 og 5, mens den negative PSE-utgangen (V-) er koblet til ledningene 7 og 8. I denne konfigurasjonen er kraftparene separert fra de opprinnelige signalparene, som går direkte gjennom strøminjektoren for PoE-midspan-et. Denne typen implementering vises konfigurert ved hjelp av en Maxim Integrated MAX5969 enkanals PD-kontroller og en MAX5980 firekanals PSE-kontroller (figur 1).

Figur 1: En implementering av Maxim PoE-midspan som fører strøm gjennom de tidligere ubrukte strømledningene i en Ethernet Cat5-kabel. (Bildekilde: Maxim Integrated)

MAX5969 gir et komplett grensesnitt for en PD som overholder IEEE 802.3af/at PoE-systemer. Enheten gir PD-en en deteksjonssignatur, klassifiseringssignatur og en integrert isolasjonseffektbryter med innstrømskontroll. Avhengig av inngangsspenningen fungerer MAX5969 i én av fire forskjellige moduser: PD-deteksjon, PD-klassifisering, markeringshendelse og PD-strøm. Enheten går inn i PD-deteksjonsmodus når inngangsspenningen er mellom 1,4 og 10,1 volt, og PD-klassifiseringsmodus når den er mellom 12,6 og 20 volt. Enheten går inn i PD-modus når inngangsspenningen overstiger V_PÅ (35,4 volt).

MAX5980 firekanals PSE-kontrolleren er konstruert for bruk i IEEE 802.3af/at PoE PSE-implementeringer. Denne enheten gir PD-oppdagelse, -klassifisering, -strømbegrensning og -lastfrakoblingsdeteksjon, samt tilbyr fire driftsmoduser:

• Auto-modus gjør det mulig for enheten å fungere automatisk med standardinnstillingene uten programvare
• Halvautomatisk modus oppdager og klassifiserer automatisk enheter koblet til portene, men gir ikke strøm til en port før den blir instruert av programvaren
• Manuell modus tillater total programvarestyring av enheten og er nyttig for systemdiagnostikk
• Nedstengingsmodus avslutter alle aktiviteter og slår sikker av strømmen til portene

Maxim leverer MAX5980EVKIT-evalueringssettet (EK) for utviklingsarbeid med MAX5980. EK har en Ethernet PSE-krets med fire porter som består av MAX5980 PSE-kontrolleren og fire N-kanals MOSFET-er for -48 eller -54 volt strømforsyninger. EV-settet implementerer en separat, uavhengig strømkanal for hver av de fire Ethernet-utgangsportene og lar teknikeren utøve den fulle funksjonaliteten til PSE-kontrolleren for hver av disse kanalene. Konfigurerbare driftsmoduser og høyeffektmoduser (programmerbare opptil 30 watt per port) kan settes opp, og teknikeren kan eksperimentere med portstrøminformasjon gjennom I²C-grensesnittet, PD-deteksjon, PD-klassifisering, overstrøm og under-/overspenningsbeskyttelse, gjeldende foldback og DC-frakoblingsovervåking.

Konfigurasjonen kan fullføres via PC-kompatibel programvare, med tilgang til hvert register på bit-nivå (figur 2).

Figur 2: MAX5980-evalueringssettet inkluderer PC-kompatibel programvare som muliggjør enkel konfigurasjon av de fire portene som overvåkes av PSE-kontrolleren. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Legge til PoE-basert LED-belysning

Bortsett fra å fjerne behovet for å installere nye smarte lyskabler, er den viktigste fordelen med PoE-tilkoblet belysning reduksjonen i kompleksiteten i LED-armaturens strømforsyning.

LED-armaturer koblet til PoE-kontakter fungerer som PD-er, og trekker ren, regulert likestrøm direkte fra nettverket uten å kreve et primært strømreguleringstrinn for å konvertere fra vekselstrøm til likestrøm og trappe ned nettspenningen. PoEs (nominelle) 44 volts likestrømforsyning er imidlertid uegnet til direkte strøm til lysdiodene, så en LED-driver bør monteres mellom strømforsyningen og lyset. LED-driveren regulerer inngangen som konverterer den til konstant strøm, konstant spenning som LED-belysningen trenger.

Et godt eksempel på en LED-driver designet for PoE-drift er Maxim Integrateds MAX16832. Enheten er en trinnvis LED-driver med konstant strøm og høy lysstyrke med et spenningsinngangsområde på 6,5 til 65 volt som gir en konstant utgangsstrøm på opptil 1 A med ±3% nøyaktighet. En dedikert PWM-inngang muliggjør pulserende LED-dimming over et bredt spekter av lysstyrkenivåer. 2 megahertz (MHz) veksling tillater bruk av mindre magnetiske komponenter. Virkningsgraden hevdes å være rundt 95 prosent når du kjører fem LED-er i serie fra en 45 volts inngang. En analog termisk tilbakekoplingsfunksjon reduserer LED-strømmen når temperaturen på LED-strengen overstiger et spesifisert punkt. En typisk krets med oppsettet for MAX16832 vises (figur 3).

Figur 3: Krets med oppsettet for Maxim MAX16832 LED-driver med høy lysstyrke Driveren er egnet for PoE-utrustningerer for LED-belysning. (Bildekilde: Maxim Integrated)

Kombinerer PoE-basert LED-belysning med Bluetooth LE

Lysdioder kan dimmes nøyaktig, slås på eller av umiddelbart og konfigureres til å gi mange temperatur- og fargevariasjoner. Tilkoblingsmuligheter gjør det enkelt for forbrukeren å få tilgang til denne tilpasningsevnen. Bruk av Ethernet-nettverket direkte for smartlystilkobling er mulig, men er komplisert av det faktum at nettverket er designet for å overføre store mengder data ofte mellom datamaskiner i stedet for små mengder sjelden mellom LED-lamper.

I motsetning til dette er Bluetooth LE ideelt tilpasset kravene til tilkobling til smart belysning. Viktige fordeler omfatter energieffektiv overføring av små mengder data over et område på opptil 100 meter (m), en bred leverandørbase, samtrafikkevne med smarttelefoner som muliggjør konfigurasjon og kontroll uten behov for ytterligere brukergrensesnitt- og nettverkskapasitet for å støtte øyeblikkelig styring av bestemte lys eller grupper av lys. (Hvis du vil ha mer designinformasjon om Bluetooth-nett, kan du se den tekniske artikkelen Design av lavenergi-Bluetooth (BLE)-smartapplikasjoner (smart-apper) med Bluetooth Mesh.)

Å legge Bluetooth LE til et PoE LED-lys er ikke trivielt (for mer informasjon om utforming med Bluetooth LE, se DigiKey teknisk artikkel Bluetooth 4.1, 4.2 og 5 Kompatibel Bluetooth Low Energy SoCs og verktøy Møte IoT-utfordringer), men er en nyttig øvelse for de klare fordelene det gir. I tillegg har utviklingen av PoE-baserte, trådløst tilkoblede prototyper av smartlys blitt gjort mye enklere med brikkeleverandørreferansedesign og evalueringssett.

Ett eksempel er STMicroelectronics sine PoE-referansedesign med Bluetooth LE-tilkobling, STEVAL–POEL45W1. Referansedesignen er basert på selskapets PM8805 IEEE802.3bt-kompatibelt PD PoE-grensesnitt, en LED-driver som kan levere opptil 3 ampere strøm, og en Bluetooth LE-modul. Referansekonstruksjonen leverer en effekt på 45 watt.

Firmwaren som tilbys med referansedesignen (STSW-POEL45FW) kommuniserer med en PoE-belysning Android-applikasjon som muliggjør styring av LED-driverens PÅ/AV-modus og dimming ved styring av 500 hertz (Hz) pulsbreddemodulert (PWM) driftssyklus (også generert av firmwaren). Designeren står også fritt til å utvikle programvare for forbedret trådløs konfigurasjon og kontroll av lysdiodene og programmere Bluetooth LE-brikken ved hjelp av selskapets STSW-BNRG1STLINK-verktøy.

ON Semiconductors tilbyr den tilkoblede belysningsplattformen LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform. Produktet består av flere plugg-i-evalueringskort (som støtter dual LED-driver, LED-belysning og Bluetooth LE-funksjonalitet) som kan bygges opp til en komplett kommersiell belysningsløsning med trådløs tilkobling. Standard strømforsyning er en AC/DC-omformer, men selskapet leverer også en PoE-strømforsyning, LIGHTING-POWER-POE-GEVB (figur 4).

Figur 4: ON Semiconductors PoE-strømforsyning for bruk med selskapets den tilkoblede belysningsplattformen Connected Lighting Platform konverterer et LED-armatur til en IEEE 802.3af/at/bt-kompatibel PD. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Hjertet i PoE-strømforsyningen er selskapets NCP1096PAR2G PoE PD-kontroller. Brikken konverterer LED-armaturet TIL en IEEE 802.3af/at/bt-kompatibel PD. NCP1096 støtter høyeffektutrustningr (opptil 90 watt) gjennom en intern passeringstransistor.

For å bruke den tilkoblede belysningsplattformen Connected Lighting Platform med en PoE-strømforsyning kreves tilkobling av en strøminjektor for PoE-midspan-et til strømforsyningens inngang. ON Semiconductor anbefaler Phihong POE90U-1BT-2-R , en strøminjektor for midspan-et som leverer opptil 90 watt ved 56 volt fra en 100 volt til 240 volt inngang.

Når strøminjektoren for PoE-midspan-et er koblet til PoE-strømforsyningsinngangen, er det ganske enkelt et tilfelle av å koble LED-driveren til strømforsyningsutgangen, lysdiodene til driverutgangen og Bluetooth LE-tilkoblingsmodulen til kontakten på LED-driveren for et komplett PoE-basert, trådløst tilkoblet maskinvaresystem.

Utvikling av firmware for den tilkoblede belysningsplattformen Connected Lighting Platform gjøres gjennom selskapets Bluetooth CMSIS programvareutviklingssett (SDK), et designverktøy som kjører på en rekke integrerte utviklingsmiljøer (IDE-er). Firmwaren kjører på FreeRTOS, et sanntidsoperativsystem som er inkludert som en del av CMSIS SDK-en. Når den er installert på IDE-en, gjør SDK det mulig for konstruktøren å eksperimentere med følgende Bluetooth LE-tjenester:

• Lysstyringstjeneste: Brukes av tilkoblede enheter til å lese og endre tilstanden TIL tilkoblede LED-strenger.
• Telemetritjeneste: Eksponerer variabler målt av plattformen for tilkoblede enheter. Variablene inkluderer strøm som strømmer gjennom hver LED-driver og systemspenning.
• PoE strømleveringstjeneste: Lar peer-enheten hente informasjon om PoE-pålagte strømgrenser på enheten som ble forhandlet mellom PoE-injektoren og plattformen.

Bluetooth CMSIS SDK inkluderer en rekke prøveprogrammer som enkelt kan importeres til IDE-arbeidsområdet og derfra porteres til Bluetooth LE-brikken i den tilkoblede belysplattformen Connected Lighting Platform (figur 5).

Figur 5: Bluetooth CMSIS SDK fra ON Semiconductors inkluderer prøvebelysningsprogrammer for bruk med selskapets tilkoblede lysplattform Connected Lighting Platform. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Den tilkoblede lysplattformen Connected Lighting Platform er også ledsaget av en tilhørende smarttelefonapp, RSL10 Sense and Control-appen, som er kompatibel med både iOS og Android-smarttelefoner. Når den er lastet ned til smarttelefonen, ber appen utvikleren om å koble appen til den tilkoblede belysplattformen Connected Lighting Platform. Fra appen kan utvikleren da:

• Vis målte LED-kanalstrømmer og telemetridata for systemspenning
• Still uavhengig inn PWM-driftssyklusen til hver LED-kanal (og styrer derfor dimming)
• Vis informasjon om forhandlede effektgrenser mellom PoE PD-kontrolleren og PSE (figur 6)

Figur 6: ON Semiconductor Sense and Control-appen oppgir konfigurasjons- og ytelsesinformasjon fra den tilkoblede belysplattformen Connected Lighting Platform. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Konklusjon

Smart belysning forener en god kombinasjon med effektive og langvarige LED-lamper og bekvemmeligheten av trådløs tilkobling. Et enkelt, kostnadseffektivt alternativ for å oppgradere eksisterende infrastruktur er å implementere PoE på kommersielle Ethernet-nettverk for å drive LED-lamper og legge til Bluetooth LE-tilkobling for trådløs konfigurasjon og styring av belysningen fra smarttelefoner.

Selv om det å designe PoE-basert, trådløs smartbelysning ikke er trivielt, er det mange modne PoE PSE- og PD-løsninger, en rekke PoE-kompatible LED-drivere og Bluetooth LE er designet med smartbelysning i tankene. Videre er utviklingsprosessen enklere hvis prototypedesign er basert på lett tilgjengelige PoE pluss Bluetooth LE evalueringssett og firmwareempler fra store brikkeleverandører.