A PoE és a Bluetooth Low Energy kombinálása intelligens világítási infrastruktúrák költséghatékony megvalósításához

Az intelligens világítás a jó hatásfokú és hosszú élettartamú LED-eket a vezeték nélküli csatlakoztathatósággal kombinálja, lehetővé téve az épületüzemeltetők számára, hogy a jelenléthez igazítsák a világítást és minimalizálják az energiafelhasználást. Az intelligens világítás új épületekbe történő telepítése viszonylag egyszerű, a meglévő épületekbe való utólagos beszerelés azonban összetett és sokkal drágább. A már meglevő ingatlanok épületüzemeltetői olcsóbb alternatívákat keresnek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy kihasználják a világítás terén elért eredményeket.

Egy egyszerű, költséghatékony alternatíva Power-over-Ethernet (PoE) technológiával bővíteni a meglévő Ethernet hálózatokat a LED-ek táplálása érdekében. Ennek hátránya, hogy az Ethernet kevésbé megfelelő az intelligens világítás számára, mivel azt nagy mennyiségű információknak számítógépek közötti gyakori, nem pedig az intelligens világítás vezérléséhez és konfigurálásához használt kis mennyiségű információ ritkán előforduló átvitelére tervezték.

A megoldás a PoE és a Bluetooth Low Energy (BLE) összekapcsolásában rejlik, a vezeték nélküli konfiguráláshoz és az okostelefonokról történő vezérléshez. Ez a rövid hatótávolságú RF szabvány már széles körben elterjedt az intelligens világítás területén, és ami döntő fontosságú, képes együttműködni az okostelefonokkal. Ez az együttműködési képesség biztosítja, hogy a lámpák közvetlenül a mobiltelefonok alkalmazásaiból vezérelhetők legyenek, anélkül, hogy drága, saját felhasználói felületekre lenne szükség.

Ez a cikk bemutatja a PoE-t, elmagyarázza a PoE alapú LED-es világítási infrastruktúra előnyeit, és ismerteti, hogy a tervezők hogyan valósíthatnak meg PoE LED-es világítási megoldásokat. Ezután a Maxim Integrated, az STMicroelectronics és az ON Semiconductor gyártmányú PoE plusz Bluetooth LE referenciaprojektekre és fejlesztőkészletekre hivatkozva leírja, hogyan történik a vezeték nélküli konfiguráció létrehozása, illetve hogyan működik a hálózat vezérlése Bluetooth LE használatával.

A PoE rövid bemutatása

Az eredeti PoE technológia (IEEE 802.3af „1. típus”) névleges 15,4 W DC teljesítményt (legalább 44 V DC és 350 mA) biztosított minden eszköz számára. A technológia az Ethernet hálózatokban megszokott RJ45-ös csatlakozókra és Cat5-ös kábelekre épül.

A tápellátás az Ethernet kábel nem használt vezetőin keresztül (B alternatíva) vagy a kábel adatvezetékein keresztül is továbbítható, ha minden párra olyan közös módusú feszültséget kapcsolunk, amely nem zavarja a kábelen differenciális jelekkel történő adatátvitelt (A alternatíva).

Az IEEE 802.3af kétféle PoE eszközt definiál, a tápellátást biztosító berendezést (Power Sourcing Equipment, PSE) és a táplált eszközt (Powered Device, PD). A PSE a saját hagyományos tápegységéből veszi a tápellátást, majd kezeli az Ethernet kábelhálózaton keresztül a PD számára küldött áramot, a PD pedig PoE-ből elégíti ki az igényeit. Az IEEE PoE szabványok rendelkeznek a PSE és a PD közötti jelátvitelről, így lehetővé válik, hogy a PSE érzékelje a szabványos eszközöket. A PSE 2,8 és 10 V közötti egyenfeszültséget kapcsol a vezetőre, és a hurokáram mérésével megállapítja, hogy van-e csatlakoztatott PD. A PD-nek 19 és 27 kΩ közötti ellenállású terhelést kell jelentenie, 120 nF párhuzamos kapacitás mellett. A PD észlelése után a PSE és a PD „egyeztet” a szükséges vagy rendelkezésre álló teljesítmény mennyiségéről.

Az eredeti szabványba foglalt 15,4 W-os teljesítményénél nagyobbat igénylő eszközök számának növekedése jelentette igény kielégítésére 2009-ben bevezették a „PoE+” (IEEE 802.3at „2. típus”) technológiát. Ez akár 25,5 W névleges teljesítményt is képes szolgáltatni a PD számára. A PoE+ árama az eredeti szabványban szereplő 350 mA-ről 600 mA-re nőtt. (A PoE és a PoE+ részletesebb ismertetését lásd a DigiKey A Power-over-Ethernet bemutatása című műszaki cikkében.) A későbbi változatok, az IEEE 802.3bt „3. típus” és „4. típus” névlegesen 60 és 90 W-ot, illetve 600 és 960 mA-t szolgáltatnak.

Midspan (közbenső betápláló) PoE kialakítás megvalósítása

A PSE-k vagy a switch/hub valamelyik endspanjában (végpont) találhatók vagy midspanként vannak kialakítva. Az endspan PSE jellemzően egy Ethernet switchen belül helyezkedik el, míg a midspan PSE egy „tápellátó injektor”, amely valahol a normál Ethernet switch és a PD között található és az adathálózati kábeleken keresztül végzi a tápellátást anélkül, hogy befolyásolná az adatátvitelt. A PSE-k midspanokba történő telepítése lehetővé teszi a PoE használatát olyan régi hálózatokban is, ahol a meglévő Ethernet switcheknek PoE-kompatibilis új modellekkel történő lecserélése költséges lenne.

A PoE midspan gyakorlati megvalósításában a tápellátás közvetlenül a nem használt Ethernet érpárokon keresztül történik. A pozitív PoE PSE kimenet (V+) a 4. és 5. érhez, míg a negatív PSE kimenet (V-) a 7. és 8. érhez csatlakozik. Ebben a konfigurációban a tápellátás érpárjai elválnak az eredeti jelérpároktól, amelyek közvetlenül áthaladnak a PoE midspan tápellátó injektoron. A Maxim Integrated gyártónak egy MAX5969 típusú egycsatornás PD vezérlője és egy MAX5980 típusú négycsatornás PSE vezérlője használatával egy ilyen fajta megvalósított konfigurációt mutatunk be (1. ábra).

1. ábra: Egy PoE midspan elrendezés, amely egy Ethernet Cat5 kábel korábban nem használt erein keresztül továbbítja a tápellátást. (Kép: Maxim Integrated)

Az MAX5969 teljes interfészt biztosít az IEEE 802.3af/at PoE rendszerekkel kompatibilis PD-k számára. Az eszköz a PD-t észlelési aláírással, besorolási aláírással és egy bekapcsolási áramkorlátozással rendelkező integrált szigetelő tápkapcsolóval látja el. A bemeneti feszültségtől függően az MAX5969 négy különböző üzemmód egyikében működik: PD-észlelés; PD-besorolás; esemény megjelölése; és PD-tápellátás. A készülék PD-észlelési üzemmódba lép, ha a bemeneti feszültség 1,4 és 10,1 V között van és PD-besorolási üzemmódba, ha 12,6 és 20 V között. A készülék PD-tápellátás üzemmódba lép, amint a bemeneti feszültség meghaladja a V_ON értéket (35,4 V).

Az MAX5980 négycsatornás PSE vezérlőt IEEE 802.3af/at PoE PSE elrendezésekhez tervezték. Ez az eszköz PD-felismerést, besorolást, áramkorlátozást és terhelésleválasztás-érzékelést biztosít, valamint négy üzemmódot kínál:

• Az automata üzemmód lehetővé teszi az eszköz automatikus működését az alapértelmezett beállításokkal, szoftver nélkül.
• A félautomata üzemmód automatikusan észleli és besorolja a portokhoz csatlakoztatott eszközöket, de nem táplálja a portot, amíg a szoftver erre nem utasítja.
• A kézi üzemmód lehetővé teszi a készülék teljes szoftveres vezérlését és a rendszer diagnosztikájához hasznos.
• A leállítási üzemmód minden tevékenységet befejez és biztonságosan kikapcsolja a portok áramellátását.

A Maxim az MAX5980EVKIT fejlesztőkészletet (EK) szállítja az MAX5980-val történő fejlesztéshez. Az EK egy Ethernethez való négyportos PSE áramkörrel rendelkezik – amely az MAX5980 PSE vezérlőből és négy N-csatornás teljesítmény MOSFET-ből áll – -48 vagy -54 V-os tápegységekhez. A fejlesztőkészlet mind a négy Ethernet kimeneti porthoz különálló, független tápcsatornát biztosít, és lehetővé teszi a mérnök számára, hogy mind a négy csatorna esetében éljen a PSE vezérlő teljes funkcionalitásával. Konfigurálható működési módok és nagy teljesítményű (portonként akár 30 W-ig programozható) üzemmódok állíthatók be, és az I²C interfészen keresztül a mérnök kísérletezhet a portok rendelkezésre álló áraminformációival, a PD-észleléssel, a PD-besorolással, a túláram és túlfeszültség, illetve feszültséghiány elleni védelemmel, a visszahajló áramhatárolással (current foldback) és a DC leválasztás felügyeletével.

A konfiguráció PC kompatibilis szoftverrel végezhető el, az egyes regiszterek bitszinten hozzáférhetőek (2. ábra).

2. ábra: Az MAX5980 kiértékelő készlet PC-kompatibilis szoftvert tartalmaz, amely lehetővé teszi a PSE vezérlő által felügyelt négy port egyszerű konfigurálását. (Kép: Maxim Integrated)

PoE alapú LED-es világítás hozzáadása

A PoE megoldással csatlakoztatott világítás legfontosabb előnye – amellett, hogy nincs szükség az intelligens világítás új vezetékeinek kiépítésére –, hogy a LED-es lámpatestek áramellátásának bonyolultsága csökken.

A PoE aljzatokhoz csatlakoztatott LED-es lámpatestek PD-ként működnek, tiszta, szabályozott egyenáramot vesznek fel közvetlenül a hálózatból anélkül, hogy elsődleges teljesítményszabályozó fokozatra lenne szükségük a váltóáramról egyenáramra való átalakításhoz, illetve a hálózati feszültség lecsökkentéséhez. A PoE (névleges) 44 V-os egyenáramú tápellátása azonban nem alkalmas a LED-ek közvetlen táplálására, ezért a tápellátás és a világítás közé LED meghajtót kell szerelni. A LED meghajtó szabályozza a bemenetet, amelyet a LED által igényelt állandó áramra és állandó feszültségre konvertál.

Jó példa a PoE működésre tervezett LED meghajtóra a Maxim Integrated MAX16832 jelű alkatrésze. Ez egy nagy fényerejű LED-ekhez való feszültségcsökkentő üzemmódú, állandó áramú meghajtó, amely 6,5 és 65 V közötti bemeneti feszültségtartományban akár 1 A állandó kimeneti áramot biztosít ±3%-os pontossággal. A dedikált PWM bemenet lehetővé teszi a LED-ek impulzusos fényerő-szabályozását széles fényerőszint-tartományban. A 2 MHz-es kapcsolási frekvenciának köszönhetően kisebb mágneses komponensek használata is lehetséges. A gyártó állítása szerint a hatásfok 95 százalék körüli, öt sorosan kapcsolt LED 45 V-os bemenetről való meghajtásakor. Az analóg termikus visszahajlási funkció csökkenti a LED-ek áramát, ha a LED-lánc hőmérséklete egy meghatározott érték fölé kerül. Lent, az MAX16832 egy tipikus alkalmazásának kapcsolási rajza látható (3. ábra).

3. ábra: A nagy fényerejű LED-ek meghajtására szolgáló Maxim MAX16832 eszközzel felépített alkalmazás kapcsolási rajza. A meghajtó PoE LED-es világítási alkalmazásokhoz használható. (Kép: Maxim Integrated)

PoE alapú LED-es világítás és Bluetooth LE kombinálása

A LED-ek fényereje pontosan szabályozható, azonnal be- vagy kikapcsolhatók és számos hőmérséklet- és színváltozatra konfigurálhatók. A csatlakoztathatóság lehetővé teszi, hogy a fogyasztó könnyen kihasználhassa ezt az adaptálhatóságot. Az Ethernet hálózat közvetlen felhasználása az intelligens világítás csatlakoztatásához lehetséges, de nehezíti az a tény, hogy a hálózatot nagy mennyiségű adat számítógépek közötti gyakori, nem pedig kis mennyiségű adat, LED-es lámpák közötti, ritka továbbítására tervezték.

Ezzel szemben a Bluetooth LE ideálisan megfelel az intelligens világítás csatlakoztathatósági követelményeinek. A legfontosabb előnyei közé tartozik a kis mennyiségű adat energiatakarékos átvitele akár 100 m-es hatótávolságon belül, a széles beszállítói bázis, az okostelefonokkal való együttműködési képesség – ami egy külön felhasználói interfész nélkül is lehetővé teszi a konfigurálást és a vezérlést –, valamint decentralizált hálózat felépítésének képessége az egyes lámpák vagy lámpacsoportok közvetlen vezérléséhez. (A decentralizált Bluetooth hálózat tervezésével kapcsolatos további információk a DigiKey Decentralizált Bluetooth hálózatot használó alacsony energiaigényű intelligens Bluetooth alkalmazások tervezése című műszaki cikkében találhatók.)

Bluetooth LE-vel bővíteni egy PoE LED-es lámpát nem egy triviális feladat, de az egyértelmű előnyök miatt megéri (a Bluetooth LE-vel történő tervezéssel kapcsolatos további információk Az IoT kihívásoknak megfelelő Bluetooth 4.1, 4.2 és 5 kompatibilis Bluetooth Low Energy SoC-k és eszközök című műszaki cikkben találhatók). Emellett, a PoE alapú, vezeték nélkül csatlakoztatható intelligens lámpák prototípusainak kifejlesztése a chipbeszállítók referenciatervei és fejlesztőkészletei révén sokkal könnyebbé vált.

Ilyen például az STMicroelectronics Bluetooth LE kapcsolattal rendelkező PoE referenciaterve, az STEVAL-POEL45W1. A referenciaterv a vállalat PM8805 jelű IEEE802.3bt kompatibilis PD PoE interfészén, egy akár 3 A leadására képes LED-meghajtón és egy Bluetooth LE modulon alapul, és 45 W kimeneti teljesítményt biztosít.

A vele együtt kínált firmware (STSW-POEL45FW) egy PoE világítási Android alkalmazással kommunikál, lehetővé téve a LED-meghajtó BE/KI üzemmódjainak kezelését és a fényerő egy 500 Hz-es (ugyancsak a firmware által generált) impulzusszélesség-modulált jel kitöltési tényezőjének változtatásával történő szabályozását. A tervező akár egy, a LED-ek továbbfejlesztett vezeték nélküli konfigurálására és vezérlésére szolgáló alkalmazásszoftvert is szabadon kifejleszthet és a Bluetooth LE chipet a vállalat STSW-BNRG1STLINK segédprogramjával programozhatja.

Az ON Semiconductor ajánlata a LIGHTING-1-GEVK Connected Lighting Platform nevű világítási platformja. A termék több (a kettős LED-meghajtót, a LED-es világítást és a Bluetooth LE funkciót támogató), dugaszolható fejlesztői kártyát tartalmaz, amelyekből teljes kereskedelmi világítási megoldás építhető ki, vezeték nélküli csatlakoztathatósággal. Az alapértelmezett tápegység egy AC/DC átalakító, de a vállalat egy PoE tápegységet is kínál, a LIGHTING-POWER-POE-GEVB-t (4. ábra).

4. ábra: Az ON Semiconductor PoE tápegysége, amely a vállalat Connected Lighting Platform világítási platformjával használható, egy LED-es lámpatestet IEEE 802.3af/at/bt kompatibilis PD-vé alakít át. (Kép: ON Semiconductor)

A PoE tápegység szíve a vállalat NCP1096PAR2G jelű PoE PD vezérlője. A chip a LED-es lámpatestet IEEE 802.3af/at/bt kompatibilis PD-vé alakítja át. Az NCP1096 egy belső áteresztő tranzisztor segítségével támogatja a nagy teljesítményű (akár 90 W-os) alkalmazásokat.

A világítási platform PoE tápegységgel való használatához egy PSE midspan tápellátó injektort kell kapcsolni a tápegység bemenetéhez. Az ON Semiconductor a Phihong POE90U-1BT-2-R-t jelű terméket ajánlja, amely egy olyan midspan teljesítményinjektor, amely 100 V-os és 240 V-os bemenetről akár 90 W-ot is szolgáltat 56 V-on.

A PSE midspan tápegységnek a PoE tápegység bemenetére való rákötése után egyszerűen csak csatlakoztatni kell a LED-meghajtót a tápegység kimenetéhez, a LED-eket a meghajtó kimenetéhez, a Bluetooth LE csatlakoztató modult a LED-meghajtón lévő csatlakozóhoz, és máris kész a PoE alapú, vezeték nélkül csatlakoztatott hardverrendszer.

A világítási platform firmware-ének fejlesztése a vállalat Bluetooth CMSIS szoftverfejlesztő készletével (SDK) történik. Ez egy olyan tervezőeszköz, amely számos integrált fejlesztői környezetben (IDE) működik. A firmware FreeRTOS-on fut, amely egy valós idejű operációs rendszer és a CMSIS SDK részét képezi. A fejlesztői környezetre telepítés után az SDK lehetővé teszi a tervező számára, hogy a következő Bluetooth LE szolgáltatásokkal kísérletezzen:

• Világításvezérlő szolgáltatás: a csatlakoztatott eszközök használják a csatlakoztatott LED-sorok állapotának lekérdezésére és megváltoztatására.
• Telemetriai szolgáltatás: a platform által mért változókat a csatlakoztatott eszközök rendelkezésére bocsátja. Ezek közé a változók közé tartozik az egyes LED meghajtókon átfolyó áram és a rendszerfeszültség.
• PoE tápellátási szolgáltatás: lehetővé teszi a társeszköz számára, hogy lekérje az eszközre vonatkozó, a PoE injektor és a platform között egyeztetett, PoE által előírt teljesítménykorlátokról szóló információkat.

A Bluetooth CMSIS SDK számos mintaalkalmazást tartalmaz, amelyek könnyen importálhatók az IDE munkaterületére és onnan átvihetők a Connected Lighting Platformban levő Bluetooth LE chipre (5. ábra).

5. ábra: Az ON Semiconductor Bluetooth CMSIS SDK-ja a vállalat Connected Lighting Platformjával használható világítási mintaalkalmazásokat tartalmaz. (Kép: ON Semiconductor)

A világítási platformhoz egy okostelefon-applikáció, az RSL10 érzékelő és vezérlő alkalmazás is tartozik, amely iOS és Android okostelefonokkal egyaránt kompatibilis. Az okostelefonra történő letöltés után az alkalmazás felszólítja a fejlesztőt, hogy párosítsa az alkalmazást a csatlakoztatott világítási platformmal. Az alkalmazásból a fejlesztő ezután képes:

• megjeleníteni a LED-es csatornák mért áramait, illetve a rendszerfeszültség telemetriai adatait;
• függetlenül beállítani az egyes LED-es csatornák PWM kapcsolási ciklusát (és így szabályozni a fényerőt);
• megjeleníteni a PoE PD vezérlő és a PSE között egyeztetett teljesítménykorlátokról szóló információkat (6. ábra).

6. ábra: Az ON Semiconductor érzékelő és vezérlő alkalmazása a Connected Lighting Platform konfigurációs és működésbeli információiról tájékoztat. (Kép: ON Semiconductor)

Összegzés

Az intelligens világítás a hatékony és hosszú élettartamú LED-eket a vezeték nélküli csatlakoztathatóság kényelmével párosítja. A meglévő infrastruktúrák korszerűsítésének egyszerű, költséghatékony alternatívája a PoE technológia megvalósítása a kereskedelmi Ethernet hálózatokon a LED-es lámpák táplálásához, valamint a Bluetooth LE technológia hozzáadása, hogy a világítás vezeték nélkül, okostelefonokról is konfigurálható és vezérelhető legyen.

Bár a PoE alapú, vezeték nélküli intelligens világítás tervezése nem egy triviális feladat, erre már számos kiforrott PoE PSE és PD megoldás létezik, illetve számos PoE kompatibilis LED meghajtót és Bluetooth LE-t terveztek már az intelligens világítási alkalmazásokat tartva szem előtt. A fejlesztési folyamatot megkönnyíti az is, ha a prototípusok tervezése a főbb chipgyártók könnyen elérhető PoE és Bluetooth LE fejlesztőkészletein és firmware-példáin alapul.