Kustannustehokas älyvalaistusinfrastruktuuri yhdistämällä PoE Bluetooth Low Energyn kanssa

Älyvalaistuksessa tehokkaiden ja pitkäkestoisten ledien kanssa käytetään langattomia yhteyksiä, jolloin kiinteistönhoitajat voivat räätälöidä valaistuksen tilojen käytön mukaan ja minimoida siten energiankulutuksen. Älykkään valaistuksen asentaminen uusiin rakennuksiin on melko helppoa, mutta jälkiasennus vanhoihin rakennuksiin on monimutkaista ja huomattavasti kalliimpaa. Olemassa olevien kiinteistöjen isännöitsijät etsivät edullisempia ratkaisuja, joiden avulla he pääsisivät hyötymään valaistusalan edistysaskelista.

Power-over-Ethernetin (PoE) lisääminen olemassa oleviin Ethernet-verkkoihin ja virransyöttö ledeille PoE:n kautta on yksinkertainen ja tehokas ratkaisu. Haittapuolena on kuitenkin sen, ettei Ethernet sovi älykkään valaistuksen yhteyksien hoitamiseen kovin hyvin, koska se on suunniteltu suurten tietomäärien usein toistuvaan siirtoon tietokoneiden välillä – ei niinkään älykkään valaistuksen ohjaukseen käytettävien pieniin, harvoin toistuviin datasiirtoihin.

Ratkaisun tarjoaa PoE:n yhdistäminen Bluetooth Low Energy (LE) ‑teknologiaan, jolloin älypuhelimilla voidaan määrittää asetukset ja ohjata valaistusta langattomasti. Tämä lyhyen matkan RF-standardi on jo otettu laajalti käyttöön älykkäässä valaistuksessa. Mikä tärkeintä, se on yhteensopiva älypuhelimien kanssa. Yhteensopivuus mahdollistaa, että valaistusta voidaan ohjata suoraan mobiilisovelluksilla ilman kalliita valmistajakohtaisia käyttöliittymiä.

Tässä artikkelissa esitellään PoE, selostetaan PoE-pohjaisen ledivalaistusinfrastruktuurin edut ja kuvaillaan, miten PoE-pohjaiset ledivalaistusratkaisut voidaan toteuttaa. Sen jälkeen artikkelissa kuvaillaan asetusten määrittämistä ja verkon ohjausta langattomasti Bluetooth LE ‑tekniikalla. Artikkelissa myös esitellään PoE plus Bluetooth LE ‑referenssisuunnitelmia ja Maxim Integrated-, STMicroelectronics- ja ON Semiconductor ‑yhtiöiden tarjoamia arviointisarjoja.

Lyhyt PoE-esittely

Alkuperäisessä PoE-teknologiassa (IEEE 802.3af ”Type 1”) käytettiin 15,4 watin nimellistehoa (DC) (vähintään 44 volttia DC ja 350 milliampeeria (mA)) jokaista laitetta kohden. Teknologiassa käytetään Ethernet-verkoissa tavallista RJ45-liitintä ja Cat5-kaapelia.

Tehoa voidaan siirtää Ethernet-kaapelin käyttämättömiä johtimia pitkin (vaihtoehto B) tai kaapelin datajohtimissa siten, että jokaisessa parissa kulkee yhteistilainen jännite, joka ei häiritse kaapelin differentiaalista datasignaalin siirtoa (vaihtoehto A).

IEEE 802.3af ‑standardissa on määritelty kaksi PoE-laitetyyppiä: Power Sourcing Equipment (PSE) ja Powered Device (PD). PSE-laite ottaa tehon omasta perinteisestä teholähteestään ja ohjaa Ethernet-kaapeliverkon kautta PD-laitteelle lähetettävää tehoa. PD-laite ottaa puolestaan tarvitsemansa tehon PoE:stä. IEEE:n PoE-standardeissa on määritetty PSE- ja PD-laitteiden välinen signaalienvaihto, jonka avulla PSE pystyy tunnistamaan standardin mukaiset laitteet. PSE-laite kytkee johtimeen 2,8–10 voltin DC-jännitteen ja tunnistaa virtaa mittaamalla, jos piiriin on kytketty PD-laite. PD-laitteen resistiivisen kuorman pitäisi olla 19–27 kilo-ohmia (kΩ) ja rinnakkaiskapasitanssin pitäisi olla 120 nanofaradia (nF). Kun PD-laite on tunnistettu, PSE ja PD ”neuvottelevat” tarvittavan tai käytettävissä olevan tehon määrästä.

Koska yhä useampien laitteiden tarvitsema teho on suurempi kuin alkuperäisein standardin 15,4 W, vuonna 2009 julkaistiin PoE+-standardi (IEEE 802.3at ”Type 2”). Tällä teknologialla PD-laitteelle voidaan syöttää jopa 25,5 watin nimellisteho. PoE+-standardissa virta on kasvanut alkuperäisen standardin arvosta 350 mA arvoon 600 mA. (Katso lisätietoja PoE- ja PoE+-standardeista Digi-Keyn teknisestä artikkelista An Introduction to Power-over-Ethernet.) Myöhemmin julkaistiin versiot IEEE 802.3bt ”Type 3”, jonka nimellisteho on 60 wattia ja virta 600 mA, sekä ”Type 4”, jossa nimellisteho on 90 wattia ja virta 960 mA.

Keskitason PoE-toteutus

PSE-laitteet sijaitsevat joko kytkimen/keskittimen puolella (endspan) tai järjestelmän keskitasolla (midspan). Tyypillinen endspan-PSE on sijoitettu Ethernet-kytkimeen, kun taas midspan-PSE on ”tehoinjektori”, joka sijaitsee jossakin normaalin Ethernet-kytkimen ja PD-laitteen välillä ja syöttää tehoa verkkokaapelia pitkin ilman että datasiirto häiriintyy. Koska PSE-laitteita voidaan sijoittaa yhteyden keskivaiheille, PoE voidaan toteuttaa myös vanhemmissa verkoissa, joissa olemassa olevien Ethernet-kytkimien vaihtaminen uusiin PoE-teknologiaa tukeviin malleihin tulisi kalliiksi.

Keskivaiheen PoE-toteutuksessa teho välitetään suoraan käyttämättömien Ethernet-parien kautta. PoE PSE -laitteen positiivinen lähtö (V+) kytketään johtimiin 4 ja 5 ja PSE-laitteen negatiivinen lähtö (V-) johtimiin 7 ja 8. Tässä konfiguraatiossa tehonsyöttöön käytettävät johtoparit eivät ole samat kuin alkuperäiset signaaliparit, jotka kulkevat suoraan keskivaiheen PoE-tehoinjektorin läpi. Tällaisesta toteutuksesta on esimerkkinä yksikanavaisella Maxim Integrated MAX5969 -PD-ohjaimella ja nelikanavaisella MAX5980-PSE-ohjaimella toteutettu konfiguraatio (kuva 1).

Kuva 1: Midspan-PoE-toteutuksessa teho kulkee Ethernet Cat5 ‑kaapelin aiemmin käyttämättömissä tehojohtimissa. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

MAX5969 tarjoaa täydellisen PD-rajapinnan, joka täyttää IEEE 802.3af/at ‑standardin PoE-järjestelmiä koskevat vaatimukset. Laite tarjoaa PD-laitteelle tunnistukseen tarvittavan allekirjoituksen, luokitteluun tarvittavan allekirjoituksen sekä integroidun erotetun virtakytkimen kytkentävirran rajoituksella. MAX5969 toimii syöttöjännitteestä riippuen jossakin neljästä tilasta: PD-tunnistus; PD-luokittelu; merkintätapahtuma sekä PD-teho. Laite siirtyy PD-laitteen tunnistustilaan, kun syöttöjännite on 1,4–10,1 volttia, ja PD-laitteen luokittelutilaan, kun jännite on 12,6–20 volttia. Laite siirtyy PD-laitteen tehonsyöttötilaan vasta sitten, kun syöttöjännite on suurempi kuin V_ON (35,4 volttia).

Nelikanavainen MAX5980-PSE-ohjain on suunniteltu käytettäväksi IEEE 802.3af/at ‑standardin mukaisissa PoE-PSE-toteutuksissa. Laitteen ominaisuuksiin kuuluvat PD-tunnistus ja -luokittelu, virranrajoitus sekä kuorman katkaisun tunnistus. Sillä on neljä toimintatilaa:

• Laite toimii automaattisessa tilassa automaattisesti oletusasennustensa mukaisesti ilman ohjelmiston ohjausta.
• Puoliautomaattisessa tilassa se tunnistaa ja luokittelee automaattisesti portteihin kytketyt laitteet, mutta se ei syötä porttiin tehoa ilman ohjelmistolta tulevaa käskyä.
• Manuaalisessa tilassa ohjelmisto hallitsee kaikkia laitteen toimintoja. Tämä tila on hyödyllinen järjestelmän diagnosoinnissa.
• Sammutustila lopettaa kaikki toiminnot ja katkaisee turvallisesti tehon kaikista porteista.

Maximin MAX5980EVKIT-arviointisarja (EK) on tarkoitettu MAX5980-laitteella tehtävään kehitystyöhön. Arviointisarja tarjoaa neliporttisen Ethernet-PSE-piirin ja se sisältää MAX5980-PSE-ohjaimen sekä neljä N-kanavatyyppistä MOSFET-tehotransistoria 48 tai 54 voltin teholähteille. Arviointisarjalla voidaan toteuttaa jokaiselle neljälle Ethernet-lähtöportille erillinen ja itsenäinen tehokanava. Suunnittelijat pääsevät sen avulla hyödyntämään PSE-ohjaimen kaikkia toimintoja jokaisella kanavalla. Sarjassa voidaan määrittää konfiguroitavia toimintatiloja ja suurtehotiloja (ohjelmoitavissa jopa 30 wattia porttia kohden), jolloin suunnittelija pääsee I²C-rajapinnan kautta kokeilemaan portin virtatietoja, PD-laitteen tunnistusta, PD-laitteen luokittelua, ylivirta- sekä yli-/alijännitesuojausta, virranrajoitusta sekä DC-katkaisun monitorointia.

Konfigurointi voidaan suorittaa PC-yhteensopivalla ohjelmistolla, jossa kaikkia rekistereitä päästään muokkaamaan bittitasolla (kuva 2).

Kuva 2: MAX5980-arviointisarjaan kuuluvalla PC-yhteensopivalla ohjelmistolla PSE-ohjaimen ohjaamien neljän portin konfigurointi on yksinkertaisesta. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

PoE-pohjaisen ledivalaistuksen lisääminen

Kun valaistus kytketään PoE-järjestelmään, älyvalaistus ei vaadi uuden johdotuksen asennusta. Myös ledivalaisimen yksinkertaisempi tehonsyöttö on tärkeä etu.

PoE-liittimiin kytketyt ledivalaisimet toimivat PD-laitteina, jotka saavat puhdasta ja säänneltyä DC-tehoa suoraan verkosta. Ne eivät tarvitse omaa säätöastettaan, jossa vaihtovirta muutetaan tasavirraksi ja jossa verkkovirran jännitettä lasketaan. PoE:n (nimellisjännitteeltään) 44 voltin DC-virtalähde ei kuitenkaan sovellu suoraan ledien ohjaamiseen, joten tehonsyötön ja valaisimen välille on asennettava lediohjain. Lediohjain säätelee syöttötehoa muuntamalla sen ledin tarvitsemaksi vakiovirraksi ja vakiojännitteeksi.

Maxim Integrated MAX16832 on hyvä esimerkki PoE-käyttöön suunnittelusta lediohjaimesta. Laite on erittäin kirkas lediohjain jännitteen alennuksella ja vakiovirralla. Sen syöttöjännitealue on 6,5–65 volttia ja vakiolähtövirta enintään 1 A (tarkkuudella ±3 %). Erillinen PWM-tulo sallii ledivalojen himmennyksen pulssisuhdetta muuttamalla laajalla kirkkaustasoalueella. Koska kytkennässä käytetään 2 megahertsin (MHz) taajuutta, siinä voidaan käyttää pienempiä magneettisia komponentteja. Tehokkuudeksi ilmoitetaan 95 prosenttia, kun laitteella ohjataan viittä sarjaan kytkettyä lediä 45 voltin tulojännitteellä. Analoginen terminen rajoitustoiminto vähentää ledien virtaa, jos ledinauhan lämpötila ylittää tietyn ennalta määritetyn arvon. Kuvassa esitetään MAX16832-ohjaimen tyypillinen sovelluspiiri (kuva 3).

Kuva 3: Erittäin kirkkaan Maxim MAX16832 -lediohjaimen sovelluspiiri. Ohjain soveltuu käytettäväksi PoE-pohjaisissa ledivalaistussovelluksissa. (Kuvan lähde: Maxim Integrated)

PoE-pohjaisen ledivalaistuksen ja Bluetooth LE:n yhdistäminen

Ledejä voidaan himmentää tarkasti ja kytkeä välittömästi päälle tai pois päältä. Lisäksi niiden lämpötila- ja värivaihtoehdot voidaan konfiguroida monin eri tavoin. Langattomien yhteyksien ansiosta kuluttaja voi mukauttaa valaistusta helposti. Ethernet-verkon suora käyttö älyvalojen tiedonsiirtoon on mahdollista, mutta monimutkaista, koska kyseinen verkko on suunniteltu suurten datamäärien siirtämiseen toistuvasti tietokoneiden välillä, ei ledivalojen välillä harvoin lähetettäville pienille datamäärille.

Bluetooth LE sopii sen sijaan älykkään valaistuksen yhteyskäytännöksi erinomaisesti. Sen tärkeimpiä etuja ovat energiatehokas pienten datamäärien siirto jopa 100 metrin (m) etäisyydelle, suuri joukko toimittajia, yhteensopivuus älypuhelinten kanssa ja ohjaus ilman erillistä käyttöliittymää. Lisäksi se tukee mesh-verkkoja ja siten haluttujen valojen tai valoryhmien välitöntä ohjausta. (Katso lisätietoja Bluetooth-mesh-verkon suunnittelusta Digi-Keyn teknisestä artikkelista Designing Bluetooth Low Energy Smart Applications with Bluetooth Mesh.)

Bluetooth LE ‑tekniikan lisääminen PoE-pohjaiseen ledivaloon ei ole aivan yksinkertaista (katso lisätietoja Bluetooth LE ‑suunnittelusta Digi-Keyn teknisestä artikkelista Bluetooth 4.1, 4.2 and 5 Compatible Bluetooth Low Energy SoCs and Tools Meet IoT Challenges), mutta kokonaisuutena tämä ratkaisu tarjoaa merkittäviä etuja. Lisäksi PoE-pohjaisten langattomasti kytkettävien älykkäiden valaistusprototyyppien kehittäminen on nykyään paljon helpompaa, koska sirutoimittajat tarjoavat referenssisuunnitelmia ja arviointisarjoja.

Yksi esimerkki on STMicroelectronicsin Bluetooth LE ‑teknologiaa käyttävä PoE-referenssisuunnitelma STEVAL–POEL45W1. Referenssisuunnitelma perustuu yrityksen IEEE802.3bt-yhteensopivaan PD PoE-rajapinnan mukaiseen PM8805-lediohjaimeen, joka pystyy syöttämään virtaa jopa 3 ampeeria, sekä Bluetooth LE ‑moduuliin. Referenssisuunnitelman lähtöteho on 45 wattia.

Referenssisuunnitelman mukana toimitettava laiteohjelmisto (STSW-POEL45FW) käyttää PoE-valaistuksen kanssa viestintään Android-sovellusta, jolla voidaan ohjata lediohjaimen päällä- ja pois-tiloja sekä himmentää valoa 500 hertsin (Hz) PWM (Pulse Width Modulated) -ohjauksen käyttöjaksoa säätämällä (laiteohjelmisto tuottaa myös tämän). Lisäksi suunnittelija voi kehittää oman sovellusohjelmistonsa monipuolisempaa langatonta konfigurointia ja ledien ohjausta varten sekä ohjelmoida Bluetooth LE ‑sirun yrityksen STSW-BNRG1STLINK-apuohjelmalla.

ON Semiconductorin tuotteisiin kuuluu valaistuskäyttöön tarkoitettu LIGHTING-1-GEVK-yhteysalusta. Tässä tuotteessa yhdistyy useita plug-in-arviointialustoja (jotka tukevat kahta lediohjainta, ledivalaistusta ja Bluetooth LE ‑toiminnallisuutta). Näiden avulla voidaan toteuttaa täydellinen langattomasti ohjattava kaupallinen valaistusratkaisu. Oletusteholähde on vaihtovirta-tasavirtamuuttaja, mutta yritykseltä on saatavana myös PoE-teholähde, LIGHTING-POWER-POE-GEVB (kuva 4).

Kuva 4: ON Semiconductorin Connected Lighting Platformin kanssa käytettäväksi tarkoitettu PoE-teholähde tekee ledivalaisimesta IEEE 802.3af/at/bt ‑yhteensopivan PD-laitteen. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

PoE-teholähteen ytimessä on yrityksen PoE PD -ohjain NCP1096PAR2G. Siru muuntaa ledivalaisimen IEEE 802.3af/at/bt ‑yhteensopivaksi PD-laitteeksi. NCP1096-piirin sisäinen päästötransistori tukee suurtehosovelluksia (jopa 90 wattia).

Connected Lighting Platformin käyttö PoE-teholähteen kanssa edellyttää keskivaiheen PSE-tehoinjektorin kytkemistä teholähteen tuloon. ON Semiconductor suosittelee Phihongin POE90U-1BT-2-R-midspan-tehoinjektoria, joka tuottaa 100–240 voltin syöttöjännitteestä jopa 90 watin tehon 56 voltin jännitteellä.

Kun keskivaiheen PSE-tehoinjektori on kytketty PoE-virtalähteen tuloon, lediohjain tarvitsee vain kytkeä ohjaimen lähtöön ja Bluetooth LE ‑yhteysmoduuli lediohjaimen liittimeen. Näin voidaan rakentaa täydellinen PoE-pohjainen langattomia yhteyksiä käyttävä laitteistojärjestelmä.

Connected Lighting Platformin laiteohjelmisto kehitetään yrityksen Bluetooth CMSIS ‑ohjelmistokehityssarjalla (SDK). Tämä suunnittelutyökalu toimii useissa integroiduissa kehitysympäristöissä (IDE). Laiteohjelmisto käyttää reaaliaikaista FreeRTOS-käyttöjärjestelmää, joka toimitetaan CMSIS-SDK:n mukana. Kun SDK on asennettu IDE-ympäristöön, suunnittelija voi testata seuraavia Bluetooth LE ‑palveluita:

• Valojen ohjauspalvelu: Kytketyt laitteet lukevat tämän palvelun avulla kytkettyjen ledinauhojen tilan ja muuttavat sitä.
• Telemetriapalvelu: Näyttää alustan mittaamat muuttujat kytketyille laitteille. Muuttujiin kuuluvat esimerkiksi kunkin lediohjaimen kautta kulkeva virta sekä järjestelmän jännite.
• PoE-virransyöttöpalvelu: Antaa vertaislaitteen hakea tiedot PoE:n määrittämistä laitetta koskevista virtarajoista, jotka PoE-injektori ja alusta ovat neuvotelleet.

Bluetooth CMSIS SDK sisältää useita esimerkkisovelluksia, jotka on helppo tuoda IDE-työtilaan ja siitä siirtää Connected Lighting Platformin Bluetooth LE ‑sirulle (kuva 5).

Kuva 5: ON Semiconductorin Bluetooth CMSIS SDK sisältää esimerkkejä valaistussovelluksista, joita voi käyttää yrityksen Connected Lighting Platformissa. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Connected Lighting Platformiin kuuluu myös RSL10 Sense and Control ‑älypuhelinsovellus, jota voi käyttää sekä iOS- että Android-älypuhelimilla. Sovellus ladataan älypuhelimeen, minkä jälkeen se pyytää kehittäjää parittamaan sovelluksen Connected Lighting Platformin kanssa. Sen jälkeen sovelluksella voi:

• tarkastella ledikanavien virtamittausten ja järjestelmän jännitemittausten tietoja
• määrittää jokaisen ledikanavan PWM-käyttöjakson erikseen (ja ohjata sillä tavalla himmennystä)
• tarkastella PoE PD ‑ohjaimen ja PSE:n neuvottelemia tehorajoituksia (kuva 6).

Kuva 6: ON Semiconductorin Sense and Control ‑sovelluksella voi konfiguroida Connected Lighting Platformin ja tarkastella sen suorituskykytietoja. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Yhteenveto

Älykäs valaistus yhdistää tehokkaat ja pitkäkestoiset ledit käteviin langattomiin yhteyksiin. Nykyisen infrastruktuurin päivittämisen sijaan on olemassa yksinkertainen ja kustannustehokas vaihtoehto: PoE-teknologian ja kaupallisten Ethernet-verkkojen käyttö ledivalojen tehonsyöttöön sekä Bluetooth LE ‑yhteyksien käyttö valaistuksen langattomaan konfigurointiin ja ohjaukseen älypuhelimilla.

Vaikka PoE-pohjaisten langattomien ja älykkäiden valaistusjärjestelmien suunnittelu ei ole aivan yksinkertaista, saatavana on monta pätevää PoE-pohjaista PSE- ja PD-ratkaisua, useita PoE-pohjaisia lediohjaimia sekä Bluetooth LE ‑ratkaisuja, jotka on suunniteltu erityisesti älykästä valaistusta varten. Kehitysprosessia helpottavat myös valmiiden PoE plus Bluetooth LE ‑arviointisarjojen hyödyntäminen prototyypeissä sekä tärkeimpien siruvalmistajien tarjoamat laiteohjelmistoesimerkit.