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viernes , diciembre 4 2020
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Un brillante futuro para la iluminación eficiente y conectada

La iluminación es uno de los mayores consumidores de energía en el mundo. A medida que aumentan los costes y la preocupación por el medio ambiente se hace más importante encontrar formas de aplicar la tecnología y la innovación para optimizar la eficiencia y la funcionalidad de la iluminación y para reducir su consumo.

Esta exigencia de una mejor eficiencia y de más funciones queda cubierta por un control inteligente y conectado de la iluminación. El mercado del control inteligente de la iluminación en aplicaciones residenciales tiene un volumen cuatro veces mayor que en los aplicaciones industriales. Ambos suponen conjuntamente el segmento que más crece en el Internet de las Cosas (IoT). En general, los sistemas de iluminación residenciales tienden a ser mucho más sencillos que sus homólogos industriales, con una lista de materiales más reducida y a un menor coste.

En su versión más sencilla la iluminación conectada puede consistir tan solo en la capacidad de encender y apagar las luces, quizá de forma remota o a horas preprogramadas del día. Dando un paso más allá los sistemas de iluminación conectados pueden añadir funciones como el control de la atenuación y de los colores de los LED.

Existe una enorme gama de opciones disponibles, especialmente si se añaden sensores. Por ejemplo: para controlar la iluminación como respuesta al nivel de luz ambiental o si se detectan personas en una sala. En las aplicaciones industriales pueden ser muy valiosos los sensores de temperatura, humedad e iluminación ya que sus datos se pueden utilizar para controlar las luces y contribuir al mantenimiento del sistema.

La ubicuidad de los smartphones permite que los sistemas de iluminación puedan ofrecer una sofisticada interfaz de usuario en un dispositivo móvil sin el coste que representa una pantalla especial o unos botones complicados.

Interconexión total

Uno de los aspectos más importantes de un sistema de iluminación inteligente es desde luego cómo se comunica todo, así como la tecnología de conectividad utilizada. Entre los requisitos de conectividad se encuentran la puesta en marcha del sistema, los enlaces entre los dispositivos empleados y la comunicación entre el sistema de gestión del edificio y la iluminación controlada.

La primera decisión es elegir entre una conexión con o sin cable. Para las luces alimentadas por batería la conexión inalámbrica ofrece la importante ventaja de no requerir la instalación de cableado, y ello puede permitir un ahorro de coste significativo. Entre los protocolos inalámbricos más utilizados para iluminación se encuentran el Bluetooth® Low Energy y el Zigbee Green Power™, mientras que el NFC (Near Field Communications) se puede emplear para la configuración y puesta en marcha.

Por lo que respecta a las luces alimentadas por la red eléctrica la conexión inalámbrica también puede ser una buena opción ya que evita la necesidad de instalar un segundo cable de datos junto al cableado de alimentación. Otra alternativa es el PoE (Power over Ethernet) pues ofrece la posibilidad de aprovechar un solo cable para alimentación y conectividad.

PoE para sistemas de iluminación

El estándar PoE 2 (802.3bt) puede suministrar hasta 90 W, más que suficiente para una luz basada en LED gracias a su bajo consumo si se compara con las tradicionales bombillas incandescentes.

Un ejemplo práctico es una solución de iluminación conectada de 60 W y alimentada a través de su cable Ethernet mediante un controlador integrado conforme a IEEE 802.3bt. Esta solución, capaz de alimentar dos tiras de LED, cuenta con dos canales de LED que incorporan el controlador buck de corriente constante FL7760 de ON Semiconductor, con sensado high-side.

Con esta configuración de la señal PWM se puede controlar la atenuación entre el 0% y el 100% para una frecuencia PWM de 1,3 MHz. El control de brillo se realiza por medio del controlador de Bluetooth Low Energy RSL10 que es adecuado para aplicaciones RF de aprovechamiento de energía (energy-harvesting). La tensión de alimentación para el RSL10 es suministrada por un solo regulador LDO de baja tensión.

Esta solución logra eficiencias superiores al 90%, asegurando así que casi toda la energía derivada del controlador PoE se convierta en luz y permita suministrar hasta 6000 lúmenes. Este rendimiento está en línea con la necesidad reinante de minimizar el consumo de enrgía y proporcionar soluciones de iluminación conectadas.

Redes de malla (mesh) con Bluetooth Low Energy

En lugar de establecer comunicaciones directas entre dos puntos la tecnología de malla inalámbrica resulta ideal para aplicaciones de iluminación industrial ya que permite interconectar un gran número de dispositivos, entre sí y con el exterior. El Bluetooth Low Energy ahora tiene la capacidad de establecer una red de malla formada por hasta 32.000 dispositivos con seguridad incorporada de serie, simplificando así enormemente la implementación de soluciones de iluminación con una mayor cobertura.

Figura 1: Los dispositivos de malla Bluetooth Low Energy pueden tener diferentes funciones para el entorno de la malla. (Fuente: Bluetooth SIG)

Dentro de la malla cada nodo puede actuar como una luz e incorporar una o más funciones, que son cruciales para la funcionalidad del entorno de la malla en su conjunto. Los nodos repetidores pueden retransmitir los mensajes recibidos y por tanto ampliar la red prácticamente hasta el infinito si es necesario. Los nodos intermedios se comunican con otros que no son Bluetooth Low Energy o no admiten Bluetooth Low Energy y los añaden a la malla, mientras que los nodos “amigos” almacenen mensajes para otros nodos que funcionan en modo de bajo consumo. Los nodos de bajo consumo sondean periódicamente a los nodos amigos en busca de mensajes, ahorrando así más energía.

La seguridad es de máxima importancia en todo sistema conectado y las redes de malla Bluetooth Low Energy no son una excepción. Todos los mensajes están cifrados y autenticados, y el enmascaramiento dificulta el seguimiento de los mensajes protegiéndolos así frente a ataques de reproducción (replay). Dentro del protocolo Bluetooth Low Energy existe un proceso para intercambiar las claves de seguridad y otro proceso seguro al añadir nodos a la malla. Cuando se eliminan nodos de una red Bluetooth Low Energy también se hace de forma segura para evitar ataques de tipo “trashcan”.

Una alternativa a las redes de malla Bluetooth Low Energy es el Zigbee Green Power, que existe desde hace más tiempo. El protocolo Zigbee, que se basa en la parte superior de las capas MAC y PHY de IEEE 802.15.4, se emplea en productos de iluminación como los de Ikea, Xiaomi y Philips, entre otros. Este protocolo ecológico y de bajo consumo es compatible con las nuevas tendencias en edificios y es fácil de implementar, instalar y reconfigurar en edificios.

Mientras que el Bluetooth Low Energy se basa originalmente en un modelo de malla y utiliza un smartphone para la conectividad a la nube, Zigbee recurre a Dotdot o a la biblioteca ZCL (Zigbee Cluster Library) y necesita una pasarela (gateway) especial ya que muy pocos dispositivos móviles, por no decir ninguno, son compatibles con Zigbee.

  Red de malla Bluetooth Zigbee
Mercados Automatización de viviendas y edificios, iluminación, contadores Automatización de viviendas y edificios, iluminación, contadores
Capa de aplicación Modelo de malla nativo Dotdot/ZCL (Zigbee Cluster Library)
Conectividad con la nube Pasarela para smartphone Pasarela
Enrutamiento Inundación (flooding) controlada Enrutamiento completo
Otras funciones Balizamiento, conectividad directa al teléfono Más maduro

El Zigbee puede usar una tecnología sin batería o de captación de energía para suministrar interruptores de luz portátiles, ecológicos y sin mantenimiento. Al no necesitar cableado se pueden colocar prácticamente en cualquier sitio y su instalación es muy económica.

Figura 3: El emparejamiento de un interruptor con captación de energía es un proceso sencillo y rápido.

La configuración de un interruptor con captación de energía mediante dispositivos como el NCS36510 de ON Semiconductor se puede lograr de manera rápida y fácil. Este SoC (System on Chip) totalmente integrado y de bajo consumo ofrece gestión de alimentación avanzada y un transceptor conforme al IEEE 802.15.4. Este dispositivo permite diseñar por completo una red inalámbrica segura con un mínimo número de componentes externos.

Plataforma de iluminación conectada

Con el objetivo de simplificar y agilizar aún más el desarrollo ON Semiconductor ha creado un kit de desarrollo modular para soluciones de iluminación LED industriales. Esta plataforma, denominada Connected Lighting Platform, consiste en un módulo de conectividad basado en el dispositivo RSL10 SIP (RSL10 System in Package) que ofrece controles como apagado/encendido, atenuación y programación.

La aplicación móvil RSL10 FOTA, disponible en Google Play™ y la tienda de aplicaciones de Apple, añade soporte para actualizaciones de firmware inalámbricas. La aplicación RSL10 Sense and Control posibilita que los desarrolladores controlen y monitoricen sensores y actuadores ambientales desde un dispositivo móvil. Los casos prácticos que incorpora el paquete CMSIS permite añadir nuevas funciones y personalizar el diseño.

La Connected Lighting Platform admite hasta dos tiras de LED. Su tarjeta de control de LED cuenta con dos controladores FL7760, uno para cada tira de LED, y suministra hasta 70 W a cada una. El sistema puede alcanzar en total hasta 70 W y 7000 lumen, e incluso más si se selecciona un LED de mayor eficiencia (150 lumen / W por ejemplo). La gama de módulos de alimentación disponibles permite alimentar la plataforma desde una fuente CA/CC o mediante PoE.

Flexibilidad y control

Incluso en un sistema relativamente sencillo la iluminación conectada puede ofrecer una ventaja tan importante como reducir el uso de energía y por tanto disminuir los costes. Esto la convierte en una alternativa clara en muchas aplicaciones industriales y residenciales. Además, dado que la iluminación conectada aumenta sus capacidades, surgen nuevas aplicaciones en el ámbito de la medicina y la agricultura.

En ambos entornos se necesita un sistema de control optimizado que logre un coste reducido de la lista de materiales y un equilibrio entre funciones sofisticadas y simplicidad. Al utilizar un kit de diseño con una lista de materiales optimizada como la Connected Lighting Platform de ON los desarrolladores pueden ahorrar un tiempo valioso al construir sus sistemas de iluminación LED y reducir el riesgo, sea cual sea la aplicación.



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