Kombinera PoE med Bluetooth Low Energy för att implementera en infrastruktur för smart belysning på ett kostnadseffektivt sätt

Smart belysning kombinerar effektiva lysdioder med lång livslängd, och trådlösa uppkopplingar som gör det möjligt för fastighetsförvaltare att anpassa belysningen till närvaron och minimera energiförbrukningen. Det är relativt enkelt att installera smart belysning i nya byggnader, men att eftermontera i befintliga byggnader är komplicerat och betydligt dyrare. Fastighetsförvaltare av etablerade fastigheter letar efter billigare alternativ som gör det möjligt för dem att dra nytta av utvecklingen inom belysning.

Ett enkelt och kostnadseffektivt alternativ är att lägga till Power-over-Ethernet (PoE) i befintliga Ethernet-nätverk för att strömförsörja LED-belysningar. Nackdelen är att Ethernet är mindre lämpat för anslutning av smart belysning eftersom det utformades för att överföra stora mängder, frekvent information mellan datorer snarare än de små, sällan förekommande dataöverföringar som används för styrning och konfiguration av smart belysning.

Lösningen är att kombinera PoE med en Bluetooth Low Energy (LE)-anslutning för trådlös konfiguration och styrning via smartphones. Denna RF-standard med kort räckvidd har redan fått stor spridning inom smart belysning och är framför allt kompatibel med smartphones. Den här kompatibiliteten garanterar att lamporna kan styras direkt från appar på mobiltelefoner utan att det behövs dyra, egenutvecklade användargränssnitt.

Artikeln introducerar PoE, förklarar fördelarna med PoE-baserad infrastruktur för LED-belysning och beskriver hur konstruktörer kan implementera PoE-lösningar för LED-belysning. Artikeln beskriver sedan hur man implementerar trådlös konfiguration och styrning av nätverket via Bluetooth LE genom att hänvisa till referenskonstruktioner och utvärderingssatser för PoE och Bluetooth från Maxim Integrated, STMicroelectronics och ON Semiconductor.

En kort introduktion till PoE

Den ursprungliga PoE-tekniken (IEEE 802.3af "Typ 1") hade en nominell likströmseffekt på 15,4 W (minst 44 V DC och 350 mA) till respektive enhet. Tekniken använder en RJ45-kontakt och en Cat5-kabel som är vanliga i Ethernet-nätverk.

Ström kan överföras på de oanvända ledarna i Ethernetkabeln, "alternativ B", eller via kabelns dataledare genom att lägga på en common-mode-spänning på respektive par som inte stör kabelns överföring med differentialsignalering, "alternativ A".

IEEE 802.3af definierar två typer av PoE-enheter, strömförsörjningsutrustning (Power Sourcing Equipment eller PSE) och strömförsörjda enheter (Powered Device eller PD). PSE:n tar ström från sin egen konventionella strömförsörjning och reglerar sedan den ström som skickas via Ethernet-kablarna till PD:n, som tar den ström den behöver från PoE. IEEE PoE-standarderna tillhandahåller signalering mellan PSE och PD, vilket gör det möjligt för PSE att upptäcka enheter som uppfyller kraven. PSE:n applicerar en likspänning på mellan 2,8 och 10 V över ledaren och fastställer om det finns en PD ansluten genom att mäta slingans ström. PD:n ska ha en resistiv belastning på mellan 19 och 27 kΩ och en parallell kapacitans på 120 nF. När PD:n har upptäckts "förhandlar" PSE:n och PD:n om hur mycket ström som krävs eller är tillgänglig.

För att tillgodose det ökande antalet enheter som behöver mer ström än den ursprungliga standardens 15,4 W, infördes "PoE+" (IEEE 802.3at "Typ 2") 2009. Tekniken kan leverera upp till nominellt 25,5 W till en PD. Strömmen för PoE+ ökar från 350 mA i den ursprungliga standarden till 600 mA. (Mer om PoE och PoE+ finns i DigiKey:s tekniska artikel En introduktion till Power-over-Ethernet.) Senare versioner, IEEE 802.3bt "Typ 3" och "Typ 4", levererar nominellt 60 W och 90 W samt 600 mA respektive 960 mA.

Implementering av en PoE-konstruktion med mittspann

PSE:erna är antingen placerade i ett slutspann vid switchen/hubben eller implementerade som ett mittspann. En PSE i ett slutspann sitter vanligtvis i en Ethernet-switch medan en PSE i ett mittspann är en "ströminjektor" som sitter någonstans mellan en normal Ethernet-switch och PD:n och levererar ström via nätverkskablaget utan att påverka dataöverföringen. Genom att kunna installera PSE:er i mittspannet kan PoE införas i äldre nätverk där det skulle vara dyrt att ersätta befintliga Ethernet-switchar med nya modeller som stöder PoE.

I en PoE-implementering med mittspann distribueras strömmen direkt via de oanvända Ethernet-paren. Den positiva PoE-utgången (V+) på PSE:n är ansluten till ledningarna 4 och 5, medan den negativa PSE-utgången (V-) är ansluten till ledningarna 7 och 8. I denna konfiguration, separeras de ursprungliga signalparen, som skickas direkt via PoE-ströminjektorn i mittspannet. Denna typ av implementering visas konfigurerad med en enkanalig PD-styrenhet MAX5969 från Maxim Integrated och en fyrkanalig PSE-styrenhet MAX5980 (figur 1).

Figur 1: En PoE-mittspannsimplementering som överför ström genom de tidigare oanvända strömkablarna i en Ethernet Cat5-kabel. (Bildkälla: Maxim Integrated)

MAX5969 ger ett komplett gränssnitt för en PD som uppfyller kraven för system med IEEE 802.3af/at PoE. Enheten förser PD:n med en detektionssignatur, en klassificeringssignatur och en integrerad isolerad strömbrytare med styrning av strömrusningen. Beroende på inspänning arbetar MAX5969 i ett av fyra olika lägen: PD-detektering, PD-klassificering, markera händelse och PD-ström. Enheten går in i PD-detekteringsläge när inspänningen är mellan 1,4 och 10,1 V och PD-klassificeringsläge när den är mellan 12,6 och 20 V. Enheten går in i PD-läge när inspänningen överstiger V_ON (35,4 V).

MAX5980 fyrkanaliga PSE-kontrollenhet är utformad för användning i PSE-implementationer för IEEE 802.3af/at PoE Enheten tillhandahåller PD-identifiering, klassificering, strömbegränsning och detektering av lastfrånkoppling och har fyra driftlägen:

• Automatiskt läge gör att enheten fungerar automatiskt med sina standardinställningar utan någon mjukvara
• Halvautomatiskt läge upptäcker och klassificerar automatiskt enheter som är anslutna till portarna, men strömförsörjer inte en port förrän en programvara ger instruktioner om det
• Manuellt läge möjliggör total programvarukontroll av enheten och är användbart vid systemdiagnostik
• Avstängningsläget avslutar alla aktiviteter och stänger av strömmen till portarna på ett säkert sätt

Maxim tillhandahåller utvärderingssatsen MAX5980EVKIT (EK) för utvecklingsarbete med MAX5980. Utvärderingssatsen har en Ethernet PSE-krets med fyra portar som består av PSE-styrenheten MAX5980 och fyra N-kanaliga effekt-MOSFET:ar för -48 eller -54 V strömförsörjning. Utvärderingssatsen implementerar en separat, oberoende strömkanal för var och en av de fyra Ethernet-portarna och gör det möjligt för teknikern att utnyttja PSE-styrenhetens fulla funktionalitet för var och en av dessa kanaler. Konfigurerbara driftlägen och lägen med hög effekt (programmerbart upp till 30 W per port) kan ställas in, och teknikern kan experimentera med information om portströmmen via I²C-gränssnittet, PD-detektering, PD-klassificering, överströms- och under-/överspänningsskydd, strömåterkoppling och övervakning av DC-avbrott.

Konfigurationen kan slutföras via en PC-kompatibel programvara, med tillgång till varje register på bitnivå (figur 2).

Figur 2: Utvärderingssatsen för MAX5980 innehåller en PC-kompatibel programvara som gör det möjligt att enkelt konfigurera de fyra portar som övervakas av PSE-styrenheten. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Lägga till PoE-baserad LED-belysning

Förutom att man slipper förlägga nya ledningar för den smarta belysningen, är den viktigaste fördelen med en PoE-ansluten belysning att LED-armaturens strömförsörjning blir mindre komplicerad.

LED-armaturer som är anslutna till PoE-uttag fungerar som PD:er och drar ren, reglerad likström direkt från nätverket utan att det krävs ett primärt strömregleringssteg för att konvertera från växelström till likström och sänka nätspänningen. Men DC-försörjningen (nominell) på 44 V i PoE:er är dock olämplig för att driva lysdioderna direkt, så en LED-drivenhet bör monteras mellan strömförsörjningen och belysningen. LED-drivenheten reglerar ingången och omvandlar den till den konstanta ström och konstanta spänning som LED-belysningen behöver.

Ett bra exempel på en LED-drivenhet som är utformad för PoE-drift är MAX16832 från Maxim Integrated. Enheten är en step-down LED-drivenhet med konstant ström och hög ljusstyrka med ett inspänningsintervall på 6,5 till 65 V och ger en konstant utgångsström på upp till 1 A med en noggrannhet på ±3 %. En dedikerad PWM-ingång möjliggör pulserad LED-dimning i en stor mängd ljusstyrkor. Switchingen vid 2 MHz gör det möjligt att använda mindre magnetiska komponenter. Effektiviteten uppges vara cirka 95 procent när fem lysdioder drivs i serie från en ingång på 45 V. En analog funktion för termisk avstängning minskar LED-strömmen när LED-kedjans temperatur överskrider en viss punkt. En typisk tillämpningkrets för MAX16832 visas (figur 3).

Figur 3: Tillämpningskrets för LED-drivenheten MAX16832 med hög ljusstyrka. Drivenheten lämpar sig för tillämpningar med LED-belysning via PoE. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Kombinera PoE-baserad LED-belysning med Bluetooth LE

Lysdioder kan dämpas exakt, slås på eller av direkt och konfigureras för att ge många temperatur- och färgvariationer. En uppkoppling gör det möjligt för konsumenten att enkelt få tillgång till denna anpassningsförmåga. Det är möjligt att använda Ethernet-nätverket direkt för anslutning av smart belysning, men det är komplicerat eftersom nätverket är utformat för att överföra stora datamängder, frekvent mellan datorer snarare än de små datamängder som skickas då och då mellan LED-belysningar.

I motsats till Bluetooth LE som är perfekt lämpat för kraven på anslutning av smart belysning. Viktiga fördelar är bland annat en energieffektiv överföring av små datamängder över en räckvidd på upp till 100 m, en bred leverantörsbas, kompatibilitet med smartphones - vilket möjliggör konfiguration och kontroll utan behov av ytterligare användargränssnitt - och mesh-nätverkskapacitet för att stödja omedelbar kontroll av specifika lampor eller grupper av lampor. (Mer information om design av Bluetooth mesh finns i DigiKey:s tekniska artikel Konstruera smarta tillämpningar med Bluetooth Low Energy med Bluetooth-meshnätverk.)

Att lägga till Bluetooth LE i en LED-belysning med PoE är inte enkelt (för mer information om design med Bluetooth LE, se Digi-Keys tekniska artikel Bluetooth 4.1, 4.2 och 5 kompatibla SoC:ar för Bluetooth Low Energy och verktyg klarar IoT-utmaningarna), men det är värt det för de tydliga fördelar det medför. Det har dessutom blivit mycket lättare att utveckla PoE-baserade, trådlöst anslutna prototyper för smart belysning med hjälp av kretsleverantörernas referenskonstruktioner och utvärderingssatser.

Ett exempel är PoE-referenskonstruktionen med Bluetooth LE-anslutning, STEVAL-POEL45W1 från STMicroelectronics. Referenskonstruktionen är baserad på företagets IEEE802.3bt-kompatibla PD PoE-gränssnitt PM8805, en LED-drivenhet som kan ge upp till 3 A ström och en Bluetooth LE-modul. Referenskonstruktionen ger en uteffekt på 45 W.

Den firmware som levereras med referenskonstruktionen (STSW-POEL45FW) kommunicerar med en Android-applikation för PoE-belysning som gör det möjligt att hantera LED-drivenhetens PÅ/AV-lägen och dimning genom att styra den pulsbreddsmodulerade (PWM) arbetscykeln på 500 Hz (som också genereras av firmware). Konstruktören kan även fritt utveckla programvara för en förbättrad trådlös konfiguration och styrning av lysdioderna och programmera Bluetooth LE-kretsen med hjälp av företagets verktyg STSW-BNRG1STLINK.

ON Semiconductor erbjuder sin Connected Lighting Platform LIGHTING-1-GEVK. Produkten består av flera plug-in-utvärderingskort (med stöd för dubbla LED-drivenheter, LED-belysning och Bluetooth LE-funktioner) som kan byggas upp till en komplett kommersiell belysningslösning med trådlös anslutning. Standardströmförsörjningen är en AC/DC-omvandlare, men företaget tillhandahåller även en PoE-strömförsörjning, LIGHTING-POWER-POE-GEVB (figur 4).

Figur 4: PoE-strömförsörjning från ON Semiconductor för användning med företagets Connected Lighting Platform omvandlar en LED-armatur till en IEEE 802.3af/at/bt-kompatibel PD. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Hjärtat i PoE-strömförsörjningen är företagets Poe PD-styrenhet NCP1096PAR2G. Kretsen omvandlar LED-armaturen till en IEEE 802.3af/at/bt-kompatibel PD. NCP1096 har stöd för tillämpningar med hög effekt (upp till 90 W) via en intern passeringstransistor.

Om du vill använda Connected Lighting Platform med en PoE-strömförsörjning måste du ansluta en PSE ströminjektor i mittspannet till strömförsörjningens ingång. ON Semiconductor rekommenderar Phihong POE90U-1BT-2-R, som är en ströminjektor för mittspannet som ger upp till 90 W vid 56 V från en ingång på 100 till 240 V.

När PSE-ströminjektorn i mittspannet är ansluten till strömförsörjningsingången på PoE:n är det bara att ansluta LED-drivenheten till strömförsörjningsutgången, lysdioderna till drivenhetens utgång och anslutningsmodulen för Bluetooth LE till kontakten på LED-drivenheten för att få ett komplett PoE-baserat, trådlöst anslutet hårdvarusystem.

Utveckling av firmware för Connected Lighting Platform sker med hjälp av företagets SDK för Bluetooth CMSIS, ett designverktyg som kan körar i en rad olika integrerade utvecklingsmiljöer (IDE). Firmware körs i FreeRTOS, ett realtidsoperativsystem som ingår som en del av CMSIS SDK. När SDK:n har installerats i IDE gör den det möjligt för konstruktören att experimentera med följande Bluetooth LE-tjänster:

• Ljusstyrningstjänst: Används av anslutna enheter för att läsa och ändra tillstånd för anslutna LED-kedjor.
• Telemetritjänst: Exponerar variabler som mäts av plattformen för anslutna enheter. Variablerna omfattar den ström som flyter genom varje LED-drivenhet och systemets spänning.
• PoE Power Delivery Service (tjänst för PoE-strömförsörjning): Gör det möjligt för peer-enheten att hämta information om enhetens effektgränser för PoE som har förhandlats fram mellan PoE-injektorn och plattformen.

Bluetooth CMSIS SDK:et innehåller ett antal exempelprogram som enkelt kan importeras till IDE-arbetsområdet och därifrån anpassas till Bluetooth LE-kretsen i Connected Lighting Platform (figur 5).

Figur 5: Bluetooth CMSIS SDK från ON Semiconductors innehåller exempel på belysningstillämpningar för användning med företagets Connected Lighting Platform. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Connected Lighting Platform åtföljs även av en tillhörande app för smartphones, RSL10 Sense and Control App, som är kompatibel med både iOS- och Android-smartphones. När appen har laddats ner till smartphonen uppmanas utvecklaren att sammankoppla appen med Connected Lighting Platform. Från appen kan utvecklaren sedan:

• Visa uppmätta strömmar på LED-kanalerna och telemetridata för systemspänning
• Oberoende ställa in PWM-arbetscykeln för respektive LED-kanal (och därmed styrning av dimning)
• Visa information om förhandlade effektgränser mellan PoE PD-kontrollenheten och PSE (figur 6)

Figur 6: Appen Sense and Control från ON Semiconductor tillhandahåller information om konfiguration och prestanda från Connected Lighting Platform. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Slutsats

Smart belysning kombinerar effektiva lysdioder med lång livslängd, med den trådlösa anslutningens bekvämlighet. Ett enkelt och kostnadseffektivt alternativ för att uppgradera befintlig infrastruktur är att implementera PoE i kommersiella Ethernet-nätverk för att driva LED-belysningar och lägga till Bluetooth LE-anslutning för trådlös konfiguration och styrning av belysningen från smartphones.

Det är inte helt enkelt att utforma PoE-baserad, trådlös smart belysning, men det finns många mogna PoE PSE- och PD-lösningar och en rad PoE-kompatibla LED-drivenheter och Bluetooth LE har utformats med smart belysning i åtanke. Utvecklingsprocessen underlättas dessutom av att prototyperna baseras på lättillgängliga utvärderingssatser för PoE- och Bluetooth LE med exempel på firmware från de största kretsleverantörerna.