Autor: Kerstin Naser, Corporate Product Manager Wireless de Rutronik
Los sistemas de gestión de edificios modernos pueden contribuir decisivamente a mejorar la eficiencia energética y el confort y, por ende, los sistemas de iluminación inteligente se convierten en la base de una especie de sistema nervioso central. Aunque Bluetooth suele formar las “vías nerviosas”, otros estándares inalámbricos también ofrecen ventajas. La iluminación inteligente es uno de los sectores de mercado más importante para Bluetooth: según el informe “2021 Bluetooth Market Update” de Bluetooth SIG (Special Interest Group), el 27 por ciento de los dispositivos Bluetooth suministrados ya están siendo utilizados en sistemas de iluminación inteligente. Esto los coloca en segundo lugar por detrás de las aplicaciones con aparatos inteligentes (35 por ciento), pero con un crecimiento más rápido.
Hay buenas razones para esto: los sistemas de iluminación conectados con un control inteligente pueden reducir los costes de energía entre un 70 y un 75 por ciento. Al mismo tiempo, aumentan los niveles de comodidad al permitir, por ejemplo, que los usuarios cambien el color de la luz según lo deseen o adapten automáticamente la iluminación a la luz natural del día (iluminación enfocada en el ser humano o Human-Centric Lighting – HCL). Este concepto ofrece un espectro de luz que abarca desde componentes azul intenso por la mañana, que tienen un efecto vigorizante, hasta componentes más rojos por la noche, que poseen un efecto calmante.
Y, por ejemplo, se pueden usar detectores de presencia. En función de si alguien se encuentra en la sala (o no), la luz se puede encender o apagar automáticamente. También es posible un cambio automático basado en la intensidad de la iluminación o la luz ambiental en una habitación.
La iluminación está en todas partes
La iluminación se utiliza en prácticamente todas partes de un edificio. Esto la convierte en la base obvia para la infraestructura de los nuevos enfoques de gestión de edificios, ya que la tecnología inalámbrica integrada en los dispositivos de control de iluminación también se puede utilizar para muchas otras aplicaciones. Bluetooth SIG estima que, en 2029, la iluminación conectada comercial generará 19.100 millones de dólares en ingresos globales.
En colaboración con DALI (Digital Addressable Lighting Interface) Alliance, Bluetooth SIG ha definido un gateway que permite monitorizar y controlar las luminarias con el certificado D4i vía Bluetooth Mesh. De este modo, los componentes de iluminación de varios fabricantes pueden “entenderse” e interoperar sin problemas.
Más allá de la iluminación, resulta posible implementar, por ejemplo, funciones de seguimiento y ubicación de activos o navegación en interiores usando soluciones de iluminación inteligente. Los objetos que se van a rastrear deben estar equipados con una baliza. El transceptor inalámbrico en las luminarias recibe su señal de datos en cuanto el objeto entra dentro del alcance. Posteriormente, la posición del objeto se puede derivar empleando el plano del edificio. Esto es particularmente útil en almacenes o factorías grandes, donde reduce significativamente los tiempos de búsqueda. Por lo tanto, se optimizan los procesos y disminuyen los costes. En los hospitales, esta capacidad de seguimiento puede contribuir a incrementar la velocidad y la calidad al poder localizar rápidamente equipos móviles de atención médica o camas hospitalarias.
En red vía Bluetooth
Los sistemas de iluminación inteligente utilizan Bluetooth Mesh a la hora de dotar de una comunicación fiable y segura. Esto permite beneficiarse del índice de consumo de energía bajo y de la mínima latencia de Bluetooth Low Energy (LE) en aquellos sistemas donde cientos o miles de dispositivos de varias marcas necesitan comunicarse entre sí. Bluetooth Mesh usa el llamado principio de inundación, que garantiza que los mensajes llegan a su destino. Esto es posible porque todos los participantes de la red pueden comunicarse directamente entre sí – y si un participante falla, el mensaje se transfiere a través de otra ruta. Además, los teléfonos móviles se pueden integrar en una red BLE o mesh (mallada) con la correspondiente aplicación (app), posibilitando así el encendido de las luminarias sin necesidad de gateway ni conexión a internet.
Bluetooth Mesh es soportado, por ejemplo, por los SoC multiprotocolo de las series nRF52 y nRF53 de Nordic Semiconductor. En combinación con el nRF21540, los usuarios pueden disfrutar de una extensión de alcance de dieciséis veces. El nRF5340 incorpora dos procesadores Arm Cortex-M33. El procesador de aplicación está optimizado en rendimiento, se puede sincronizar a 64 o 128 MHz y tiene una Flash de 1 MB, una RAM de 512 KB, una unidad de coma flotante (FPU), una caché asociativa bidireccional de 8 KB y capacidades de instrucción de DSP. El procesador de red de 64 MHz está optimizado en lo que se refiere a bajo consumo y alta eficiencia (101 CoreMark/mA) y posee una Flash de 256 KB y una RAM de 64 KB. Aparte de Bluetooth LE y Mesh, el nRF5340 también soporta NFC, Thread y Zigbee. Ofrece SPI, QSPI y USB de alta velocidad y tiene una temperatura operativa de hasta 105 °C (221° F).
Numerosos proveedores suministran módulos basados en estos SoC de Nordic Semiconductor. Muchos de ellos ya han integrado antenas y están precertificados para los principales mercados (CE, FCC e IC). Así pues, ayudan a acortar el tiempo de desarrollo y reducir los costes. Esto se aplica, por ejemplo, a la serie ISP de Insight SiP, los módulos PAN1780 y PAN1781 de Panasonic, el modelo MBN52832 de Murata y diversos módulos de iVativ y EnOcean.
La familia ISP de Insight SiP se caracteriza por su pequeño formato, que es particularmente adecuado en aplicaciones de iluminación. Los módulos se basan en varios CI de Nordic y se pueden intercambiar fácilmente gracias a la compatibilidad de pin.
El módulo Panasonic PAN1780 se fundamenta en el Nordic nRF52840-IC. Gracias al Arm Cortex-M4F integrado con 1 MB de Flash y 256 kB de RAM, se puede emplear en modo independiente (stand–alone), que ayuda a ahorrar costes y espacio. Por su parte, el PAN1781 se basa en el Nordic nRF52820, que posee 256 kB de Flash y 32 kB de RAM y soporta el ángulo de llegada (AoA) y el ángulo de salida (AoD) de la versión 5.1 de la Bluetooth Core Specification, llamada radiogoniometría (RDF). Por ende, este estándar Bluetooth permite un posicionamiento todavía más preciso.
El módulo SX-ULPGN-BTZ de Silex se basa en el SoC Qualcomm QCA4020. Con conectividad wifi de banda dual 802.11 a/b/g/n, Bluetooth LE y 802.15.4 (Zigbee y Thread Pro R21), también es ideal en sistemas de iluminación y otras muchas aplicaciones.
Cypress/Infineon también ofrece chips y módulos Bluetooth Mesh para soluciones de iluminación como, por ejemplo, el CI CYW20706 o el módulo CYBT-343026-01, que se basa en el propio CI CYW20706.
para sistemas de automatización de hogar y
aplicaciones IoT se autoalimenta gracias a la acumulación de energía.
Otros estándares inalámbricos
Además de Bluetooth LE y Bluetooth Mesh, otros estándares inalámbricos también son habituales en aplicaciones de iluminación, como el estándar EnOcean, Thread, Zigbee o Wi-Fi.
La ventaja de Wi-Fi en comparación con Bluetooth se encuentra en su alcance significativamente superior. No obstante, el requisito resultante de más energía es quizás también la mayor desventaja de esta tecnología. Además, la integración de luminarias en una red Wi-Fi es algo más compleja, ya que hay que introducir una contraseña y el identificador del conjunto de servicios (SSID – Service Set Identifier) para cada luminaria. Y una red Wi-Fi puede alcanzar su límite cuando se conectan muchas luminarias.
Zigbee se puede utilizar para crear una red mallada (mesh) grande y robusta. Si un participante de la red falla, la información se puede reenviar a través de una ruta alternativa y, por lo tanto, no se pierde. A la hora de configurar la red, también se requiere un puente o un concentrador que, a su vez, está conectado al router WLAN. El puente o el concentrador envía el comando (encendido/apagado) a las luminarias vía Zigbee. A diferencia de lo que sucede en Bluetooth Mesh, la transmisión de datos se enruta a medida que se asignan diferentes tareas a los dispositivos individuales (coordinador, router y dispositivos finales). Esto significa que se especifica una determinada ruta para los datos a través de la red.
Thread trabaja de una manera similar a Zigbee: aquí también se enruta la distribución de datos, por ejemplo, mediante una camino predefinido. Thread es un protocolo mesh basado en IPv6. Esto hace que sea relativamente fácil su integración en redes IP de gran tamaño. Este protocolo también cuenta con el respaldo de los CI de Nordic y forma la base perfecta para capas de aplicación basadas en Thread como Matter, HomeKit, DALI+, KNX IoT, OCF, etc.
El estándar inalámbrico sub-GHz EnOcean (868 MHz, de acuerdo a la especificación RED, 902 MHz, según la especificación FCC/IC, y 928 MHz, de acuerdo a la especificación ARIB) ofrece alta fiabilidad al enviar telegramas cortos. Hay poca probabilidad de colisión dentro de una red, posibilitando así una red de sensores grande. Además, no existe interferencia con DECT o WLAN. El uso de código evolutivo y cifrado 128 AES garantiza una seguridad de datos avanzada. En el interior de edificios, el estándar inalámbrico EnOcean alcanza una cobertura de hasta 30 metros.
La compañía EnOcean es particularmente conocida por su tecnología de acumulación de energía. Ofrece sensores inalámbricos libres de mantenimiento basados en el estándar inalámbrico EnOcean, así como en Bluetooth y Zigbee. El nuevo multisensor IoT STM 550 (Fig. 2) aporta información de estado (abierto/cerrado) gracias a un contacto magnético y puede medir temperatura, humedad, aceleración/orientación e iluminación. La celda solar integrada produce suficiente energía para las mediciones y la transmisión de los datos de los resultados mediante, por ejemplo, Bluetooth, Zigbee o el estándar EnOcean.
Conclusión
Ya sea Bluetooth, Bluetooth Mesh, EnOcean, WLAN, Thread o Zigbee – todos los estándares inalámbricos tienen sus ventajas y desventajas específicas y resulta necesario decidir individualmente cuál es el más apropiado para cada aplicación. Sin embargo, comparten algo en común: forman el sistema nervioso central para la iluminación inteligente del hogar y, por lo tanto, aportan mejoras en eficiencia, conveniencia, comodidad y extensiones para, por ejemplo, incluir un sistema de navegación y seguimiento.
