Combinar el PoE con el Bluetooth de baja energía para implementar de manera rentable una infraestructura de iluminación inteligente

La iluminación inteligente combina LED eficientes y duraderos con una conectividad inalámbrica que permite a los administradores de los edificios personalizar la iluminación para adaptarse a la ocupación y minimizar el uso de energía. La instalación de iluminación inteligente en los nuevos edificios es relativamente sencilla, pero la adaptación a los edificios existentes es compleja y mucho más costosa. Los administradores de edificios de propiedades establecidas están buscando alternativas más baratas que les permitan aprovechar los avances en la iluminación.

Una alternativa sencilla y económica es añadir la alimentación por Ethernet (PoE) a las redes Ethernet existentes para alimentar los LED. La desventaja es que Ethernet es menos adecuada para la conectividad de la iluminación inteligente porque se diseñó para la transferencia de grandes volúmenes de información entre computadoras, en lugar de las pequeñas e infrecuentes transmisiones de datos utilizadas para el control y la configuración de la iluminación inteligente.

La solución es combinar el PoE con la conectividad Bluetooth de baja energía (LE) para la configuración inalámbrica y el control desde los teléfonos inteligentes. Esta norma de radiofrecuencia de corto alcance ya ha sido adoptada ampliamente para la iluminación inteligente, y lo que es más importante, es interoperable con los teléfonos inteligentes. Esta interoperabilidad garantiza que las luces puedan ser controladas directamente desde las aplicaciones de los teléfonos móviles sin necesidad de costosas interfaces de usuario patentadas.

Este artículo presenta PoE, explica las ventajas de la infraestructura de iluminación LED basada en PoE y describe cómo los diseñadores pueden implementar soluciones de iluminación LED PoE. A continuación, el artículo describe cómo implementar la configuración y el control inalámbrico de la red mediante Bluetooth LE, haciendo referencia a los diseños de referencia y los kits de evaluación de PoE más Bluetooth LE de Maxim Integrated, STMicroelectronics, y ON Semiconductor.

Una breve introducción a PoE

La tecnología PoE original (IEEE 802.3af "Tipo 1") proporcionaba una potencia nominal de 15.4 vatios de corriente continua (mínimo 44 voltios de corriente continua y 350 miliamperios (mA)) a cada dispositivo. La tecnología utiliza el conector RJ45 y el cable Cat5 común a las redes Ethernet.

La energía puede transmitirse por los conductores no utilizados del cable de Ethernet, "Alternativa B", o a través de los conductores de datos del cable aplicando a cada par un voltaje en modo común que no interfiera con la transmisión de datos de señalización diferencial del cable, "Alternativa A".

El IEEE 802.3af define dos tipos de dispositivos PoE, el Equipo de Fuente de Energía (PSE) y el Dispositivo Alimentado (PD). El PSE obtiene energía de su propia fuente de alimentación convencional y luego gestiona la energía enviada a través de la red de cable Ethernet a la PD, que toma la energía que necesita de PoE. Las normas IEEE sobre PoE prevén la señalización entre el PSE y el PD, permitiendo que los dispositivos conformes sean detectados por el PSE. El PSE aplica un voltaje CC de entre 2.8 y 10 voltios a través del conductor y determina si hay una PD conectada midiendo la corriente de bucle. La PD debe presentar una carga resistiva de entre 19 y 27 kilohmios (kΩ) con una capacitancia paralela de 120 nanofaradios (nF). Una vez que se detecta el PD, el PSE y el PD "negocian" la cantidad de energía necesaria o disponible.

Para atender al creciente número de dispositivos que necesitan más potencia que los 15.4 W de la norma original, en 2009 se introdujo el "PoE+" (IEEE 802.3at "Tipo 2"). La tecnología puede suministrar hasta 25.5 vatios nominales a la PD. La corriente de PoE+ se incrementa de los 350 a 600 mA del estándar original. (Para más información sobre PoE y PoE+ ver el artículo técnico de Digi-Key Introducción a la Alimentación a través de Ethernet.) Las versiones posteriores, IEEE 802.3bt "Tipo 3" y "Tipo 4", suministran una potencia nominal de 60 y 90 vatios, y 600 y 960 mA respectivamente.

Implementación de un diseño PoE de alcance medio

Los PSE están ubicados en un extremo del interruptor/centro o se implementan como un midspan. Un PSE endspan se encuentra generalmente dentro de un conmutador Ethernet, mientras que un PSE de medio alcance es un "inyector de energía" que reside en algún lugar entre un conmutador Ethernet normal y el PD, suministrando energía a través del cableado de la red sin afectar a la transmisión de datos. La posibilidad de instalar PSE en midspans permite introducir PoE en las redes heredadas, donde sería costoso sustituir los actuales conmutadores Ethernet por nuevos modelos que soporten PoE.

En una implementación de PoE en midspan, la energía se distribuye directamente a través de los pares de Ethernet no utilizados. La salida positiva del PSE de PoE (V+) está conectada a los cables 4 y 5, mientras que la salida negativa del PSE (V-) está conectada a los cables 7 y 8. En esta configuración, los pares de energía están separados de los pares de señales originales, que pasan directamente a través del inyector de energía de medio alcance PoE. Este tipo de implementación se muestra configurado utilizando un controlador de PD de un solo canal MAX5969 de Maxim Integrated y un controlador de PSE de MAX5980 cuatro canales (Figura 1).

Figura 1: Una implementación de PoE en midspan que transporta la energía a través de los cables de alimentación antes no utilizados en un cable Ethernet Cat5. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

El MAX5969 proporciona una interfaz completa para una DP que cumple con los sistemas IEEE 802.3af/at PoE. El dispositivo proporciona al PD una firma de detección, una firma de clasificación y un interruptor de potencia de aislamiento integrado con control de corriente de entrada. Dependiendo del voltaje de entrada, el MAX5969 opera en uno de cuatro modos diferentes: detección de DP; clasificación de DP; marca de evento y potencia de DP. El dispositivo entra en el modo de detección de DP cuando el voltaje de entrada está entre 1.4 y 10.1 voltios, y en el modo de clasificación de DP cuando está entre 12.6 y 20 voltios. El dispositivo entra en el modo de alimentación PD una vez que el voltaje de entrada excede V_ON (35.4 voltios).

El controlador PSE de cuatro canales MAX5980 está diseñado para ser usado en implementaciones de PSE IEEE 802.3af/at PoE. Este dispositivo proporciona descubrimiento de PD, clasificación, límite de corriente y detección de desconexión de carga, y ofrece cuatro modos de funcionamiento:

• El modo automático permite que el dispositivo funcione automáticamente con su configuración predeterminada sin ningún software
• El modo semiautomático detecta y clasifica automáticamente los dispositivos conectados a los puertos, pero no alimenta un puerto hasta que el software lo indique.
• El modo manual permite un control total del software del dispositivo y es útil para el diagnóstico del sistema.
• El modo de apagado termina todas las actividades y apaga de forma segura la energía de los puertos.

Maxim suministra el kit de evaluación (EK) MAX5980EVKIT para el trabajo de desarrollo con el MAX5980. El EK cuenta con un circuito PSE de cuatro puertos Ethernet que incluye el controlador PSE MAX5980 y cuatro MOSFET de potencia de canal N para fuentes de alimentación de -48 o -54 voltios. El kit EV implementa un canal de alimentación separado e independiente para cada uno de los cuatro puertos de salida de Ethernet y permite al ingeniero ejercer la funcionalidad completa del controlador PSE para cada uno de estos canales. Se pueden configurar modos operativos y modos de alta potencia (programables hasta 30 vatios por puerto), y el ingeniero puede experimentar con la información de la corriente del puerto a través de la interfaz I²C, detección de DP, clasificación de DP, protección de sobrecorriente y baja/sobretensión, plegado de corriente y monitoreo de desconexión de CC.

La configuración se puede completar a través de un software compatible con PC, con acceso a cada registro a nivel de bits (Figura 2).

Figura 2: El kit de evaluación MAX5980 incluye un software compatible con PC que permite una configuración sencilla de los cuatro puertos supervisados por el controlador del PSE. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Añadir iluminación LED basada en PoE

Además de eliminar la necesidad de instalar un nuevo cableado de luz inteligente, la ventaja clave de la iluminación conectada a PoE es la reducción de la complejidad de la fuente de alimentación de la luminaria LED.

Las luminarias LED conectadas a las tomas PoE actúan como PD, extrayendo la energía CC limpia y regulada directamente de la red sin necesidad de una etapa de regulación de energía primaria para convertir de CA a CC y reducir el voltaje de la red. Sin embargo, el suministro de 44 voltios CC (nominal) de PoE no es adecuado para alimentar directamente los LED, por lo que se debe instalar un driver de LED entre el suministro y la luz. El conductor del LED regula la entrada convirtiéndola en la corriente constante, el voltaje constante que necesita el LED.

Un buen ejemplo de un controlador de LED diseñado para el funcionamiento de PoE es el de MAX16832 de Maxim Integrated. El dispositivo es un conductor de LED de corriente constante y alto brillo con un rango de entrada de voltaje de 6.5 a 65 voltios que proporciona una corriente de salida constante de hasta 1 A con una precisión del ±3%. Una entrada PWM dedicada permite la atenuación de los LED en un amplio rango de niveles de brillo. La conmutación de 2 megahercios (MHz) permite el uso de componentes magnéticos más pequeños. Se afirma que la eficiencia es de alrededor del 95 por ciento cuando se conducen cinco LED en serie desde una entrada de 45 voltios. Una función analógica de retroceso térmico reduce la corriente del LED cuando la temperatura de la cadena de LED supera un punto específico. Se muestra un circuito de aplicación típica para el MAX16832 (Figura 3).

Figura 3: Circuito de aplicación del controlador de LED de alto brillo MAX16832. El controlador es adecuado para aplicaciones de iluminación LED PoE. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated).

Combinando la iluminación LED basada en PoE con Bluetooth LE

Los LED pueden ser atenuados con precisión, encendidos o apagados instantáneamente, y configurados para dar muchas variaciones de temperatura y color. La conectividad permite al consumidor acceder fácilmente a esta adaptabilidad. El uso de la red Ethernet directamente para la conectividad de la luz inteligente es posible, pero se complica por el hecho de que la red está diseñada para transmitir grandes cantidades de datos con frecuencia entre las computadoras en lugar de cantidades diminutas con poca frecuencia entre las luces LED.

Por el contrario, el Bluetooth LE es ideal para los requisitos de la conectividad de la iluminación inteligente. Entre las principales ventajas figuran la transferencia de pequeñas cantidades de datos en un rango de hasta 100 metros (m), una amplia base de proveedores, la interoperabilidad con los teléfonos inteligentes, que permite la configuración y el control sin necesidad de una interfaz de usuario adicional, y la capacidad de red en malla para apoyar el control instantáneo de luces específicas o grupos de luces. (Para más información sobre el diseño de Bluetooth Mesh, ver el artículo técnico de Digi-Key Diseño de aplicaciones inteligentes de baja energía con Bluetooth Mesh.)

Añadir Bluetooth LE a una luz LED PoE no es trivial (para más información sobre el diseño con Bluetooth LE, ver el artículo técnico de Digi-Key Las herramientas y SoC con Bluetooth de baja energía compatibles con Bluetooth 4.1, 4.2 y 5 cumplen con los desafíos de la IoT), pero es un ejercicio que vale la pena por las claras ventajas que aporta. Además, el desarrollo de prototipos de luz inteligente basados en PoE y conectados de forma inalámbrica se ha facilitado mucho con los diseños de referencia de los proveedores de chips y los kits de evaluación.

Un ejemplo es el diseño de referencia PoE de STMicroelectronics con conectividad Bluetooth LE, el STEVAL-POEL45W1. El diseño de referencia se basa en la interfaz PD PoE PM8805 compatible con IEEE802.3bt de la compañía , un controlador de LED capaz de suministrar hasta 3 amperios de corriente, y un módulo Bluetooth LE. El diseño de referencia entrega una potencia de 45 vatios.

El firmware que se ofrece con el diseño de referencia (STSW-POEL45FW) se comunica con una aplicación Android de iluminación PoE que permite la gestión de los modos de encendido y apagado del conductor del LED y la regulación mediante el control del ciclo de trabajo de 500 hercios (Hz) de ancho de pulso modulado (PWM) (también generado por el firmware). El diseñador también es libre de desarrollar un software de aplicación para mejorar la configuración inalámbrica y el control de los LED y programar el chip Bluetooth LE usando la utilidad de la compañía STSW-BNRG1STLINK.

La oferta de ON Semiconductor es la Plataforma de Iluminación Conectada LIGHTING-1-GEVK. El producto comprende varias tarjetas de evaluación enchufables (que admiten un controlador doble de LED, iluminación LED y funcionalidad Bluetooth LE) que pueden incorporarse a una solución completa de iluminación comercial con conectividad inalámbrica. La fuente de alimentación por defecto es un convertidor CA/CC, pero la compañía también proporciona una fuente de alimentación PoE, la LIGHTING-POWER-POE-GEVB (Figura 4).

Figura 4: La fuente de alimentación PoE de ON Semiconductor para uso con la Plataforma de Iluminación Conectada de la compañía convierte una luminaria LED en una PD conforme a la norma IEEE 802.3af/at/bt. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El corazón de la fuente de alimentación de PoE es el controlador de PoE PD NCP1096PAR2G. El chip convierte la luminaria LED en una PD conforme a la norma IEEE 802.3af/at/bt. El NCP1096 soporta aplicaciones de alta potencia (hasta 90 vatios) a través de un transistor de paso interno.

Para utilizar la plataforma de iluminación conectada con una fuente de alimentación PoE, se requiere la conexión de un inyector de energía PSE en midspan a la entrada de la fuente de alimentación. ON Semiconductor recomienda el POE90U-1BT-2-R de Phihong, un inyector de potencia en midspan que ofrece hasta 90 vatios a 56 voltios de una entrada de 100 a 240 voltios.

Una vez que el inyector de energía de PSE en midspan se conecta a la entrada de la fuente de alimentación PoE, se trata simplemente de conectar el controlador de LED a la salida de la fuente de alimentación, los LED a la salida del controlador y el módulo de conectividad Bluetooth LE al conector del controlador de LED para obtener un sistema de hardware completo basado en PoE y conectado de forma inalámbrica.

El desarrollo del firmware para la Plataforma de Iluminación Conectada se realiza a través del kit de desarrollo de software CMSIS con Bluetooth de la compañía (SDK), una herramienta de diseño que funciona en una serie de entornos de desarrollo integrados (IDE). El firmware funciona en FreeRTOS, un sistema operativo en tiempo real que se incluye como parte del SDK de CMSIS. Una vez instalado en el IDE, el SDK permite al diseñador experimentar con los siguientes servicios Bluetooth LE:

• Servicio de Control de la Luz: Utilizado por los dispositivos conectados para leer y cambiar el estado de las cadenas de LED conectadas.
• Servicio de Telemetría: Expone las variables medidas por la plataforma a los dispositivos conectados. Las variables incluyen la corriente que fluye a través de cada conductor de LED y el voltaje del sistema.
• Servicio de entrega de energía de PoE: Permite al dispositivo de pares recuperar la información sobre los límites de potencia impuestos por PoE en el dispositivo que se negociaron entre el inyector y la plataforma de PoE.

El SDK CMSIS Bluetooth incluye una serie de aplicaciones de muestra que pueden ser fácilmente importadas en el espacio de trabajo IDE y desde allí ser portadas al chip Bluetooth LE en la Plataforma de Iluminación Conectada (Figura 5).

Figura 5: El SDK CMSIS Bluetooth de ON Semiconductor incluye ejemplos de aplicaciones de iluminación para su uso con la Plataforma de Iluminación Conectada de la compañía. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

La Plataforma de Iluminación Conectada también está acompañada por una aplicación asociada para teléfonos inteligentes, la Aplicación de Sentido y Control RSL10, compatible con los teléfonos inteligentes iOS y Android. Una vez descargada en el smartphone, la aplicación pide al desarrollador que la empareje con la Plataforma de Iluminación Conectada. Desde la aplicación, el desarrollador puede entonces:

• Mostrar las corrientes de canal de LED medidas y los datos de telemetría del voltaje del sistema
• Configurar independientemente el ciclo de trabajo PWM de cada canal de LED (y por lo tanto controlar la atenuación)
• Mostrar información sobre los límites de potencia negociados entre el controlador PD de PoE y el PSE (Figura 6)

Figura 6: La Aplicación de Control y Sentido de ON Semiconductor proporciona información de configuración y rendimiento de la Plataforma de Iluminación Conectada. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Conclusión:

La iluminación inteligente combina LED eficientes y duraderos con la conveniencia de la conectividad inalámbrica. Una alternativa sencilla y rentable para mejorar la infraestructura existente es implementar PoE en las redes comerciales de Ethernet para alimentar las luces LED y añadir la conectividad Bluetooth LE para la configuración inalámbrica y el control de la iluminación desde los teléfonos inteligentes.

Aunque el diseño de iluminación inteligente inalámbrica basada en PoE no es trivial, hay muchas soluciones maduras de PSE y PD de PoE, una gama de controladores de LED compatibles con PoE, y Bluetooth LE ha sido diseñado con la iluminación inteligente en mente. Además, el proceso de desarrollo se facilita si los diseños de los prototipos se basan en los kits de evaluación PoE plus Bluetooth LE disponibles y en ejemplos de firmware de los principales proveedores de chips.