Eine strahlende Zukunft für effiziente und vernetzte Beleuchtung

Beleuchtung ist einer der größten Energieverbraucher der Welt. Da die Kosten und die Sorge um die Umwelt steigen, wird es immer wichtiger, Wege zu finden, Technologie und Innovation anzuwenden, um die Effizienz und Funktionalität der Beleuchtung zu optimieren und ihren Verbrauch zu reduzieren.
Diese Forderung nach mehr Effizienz und mehr Funktionen wird durch eine intelligente, vernetzte Lichtsteuerung erfüllt. Der Markt für intelligente Lichtsteuerung in Wohnanwendungen ist viermal größer als in industriellen Anwendungen. Beide repräsentieren gemeinsam das am schnellsten wachsende Segment im Internet der Dinge (IoT). Im Allgemeinen sind Beleuchtungssysteme für Privathaushalte viel einfacher als ihre industriellen Gegenstücke, mit einer kürzeren Materialliste und niedrigeren Kosten.
Im einfachsten Fall kann eine vernetzte Beleuchtung so wenig sein wie die Möglichkeit, Lichter ein- und auszuschalten, vielleicht aus der Ferne oder zu vorprogrammierten Tageszeiten. Um noch einen Schritt weiter zu gehen, können vernetzte Beleuchtungssysteme Funktionen wie die Steuerung von Dimmen und LED-Farben hinzufügen.
Es gibt eine große Auswahl an Optionen, insbesondere wenn Sensoren hinzugefügt werden. Zum Beispiel: um die Beleuchtung in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit zu steuern oder wenn Personen in einem Raum erkannt werden. In industriellen Anwendungen können Temperatur-, Feuchtigkeits- und Beleuchtungssensoren sehr wertvoll sein, da ihre Daten zur Steuerung der Beleuchtung und zur Wartung des Systems verwendet werden können.
Die Allgegenwärtigkeit von Smartphones bedeutet, dass Beleuchtungssysteme eine ausgefeilte Benutzeroberfläche auf einem mobilen Gerät bieten können, ohne dass die Kosten für einen speziellen Bildschirm oder komplizierte Tasten anfallen.
volle Vernetzung
Einer der wichtigsten Aspekte eines intelligenten Beleuchtungssystems ist natürlich, wie alles kommuniziert, sowie die verwendete Konnektivitätstechnologie. Zu den Konnektivitätsanforderungen gehören die Inbetriebnahme des Systems, die Verknüpfung der verwendeten Geräte und die Kommunikation zwischen Gebäudeleitsystem und gesteuerter Beleuchtung.
Die erste Entscheidung besteht darin, zwischen einer kabelgebundenen oder drahtlosen Verbindung zu wählen. Bei batteriebetriebenen Leuchten bietet die drahtlose Verbindung den wichtigen Vorteil, dass keine Verkabelung erforderlich ist, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führen kann. Zu den am weitesten verbreiteten drahtlosen Protokollen für die Beleuchtung gehört Bluetooth^® Low Energy und Zigbee Green Power™, während NFC (Near Field Communications) zur Konfiguration und Inbetriebnahme genutzt werden kann.
Bei netzbetriebenen Leuchten kann auch eine Funkverbindung eine gute Option sein, da so die Verlegung eines zweiten Datenkabels neben der Stromleitung entfällt. Eine weitere Alternative ist PoE (Power over Ethernet), da es die Möglichkeit bietet, ein einziges Kabel für Strom und Konnektivität zu nutzen.
PoE für Beleuchtungssysteme
Der PoE 2 (802.3bt)-Standard kann bis zu 90 W liefern, mehr als genug für ein LED-basiertes Licht dank seines geringen Verbrauchs im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen.
Ein praktisches Beispiel ist eine angeschlossene 60-W-Beleuchtungslösung, die über ihr Ethernet-Kabel mit einem integrierten IEEE 802.3bt-kompatiblen Controller betrieben wird. Diese Lösung, die zwei LED-Streifen mit Strom versorgen kann, verfügt über zwei LED-Kanäle, die den Controller enthalten Bock Konstantstrom-Strommessung FL7760 von ON Semiconductor hohe Seite.
Mit dieser Konfiguration des PWM-Signals kann die Dimmung zwischen 0 % und 100 % für eine PWM-Frequenz von 1,3 MHz gesteuert werden Die Helligkeitssteuerung erfolgt über den RSL10 Bluetooth Low Energy-Controller, der für Anwendungen geeignet ist HF-Energienutzung (Energieernte). Die Versorgungsspannung für den RSL10 wird von einem einzelnen Niederspannungs-LDO-Regler geliefert.
Diese Lösung erreicht Wirkungsgrade von über 90 % und stellt somit sicher, dass fast die gesamte vom PoE-Controller abgeleitete Energie in Licht umgewandelt wird und bis zu 6000 Lumen liefern kann. Diese Leistung steht im Einklang mit der vorherrschenden Notwendigkeit, den Energieverbrauch zu minimieren und vernetzte Beleuchtungslösungen anzubieten.
Mesh-Netzwerke mit Bluetooth Low Energy
Anstatt eine direkte Kommunikation zwischen zwei Punkten herzustellen, ist die drahtlose Mesh-Technologie ideal für industrielle Beleuchtungsanwendungen, da sie die Verbindung einer großen Anzahl von Geräten untereinander und mit der Außenwelt ermöglicht. Bluetooth Low Energy kann jetzt standardmäßig ein Mesh-Netzwerk mit bis zu 32.000 Geräten mit integrierter Sicherheit aufbauen, was die Bereitstellung von Beleuchtungslösungen mit größerer Reichweite erheblich vereinfacht.
Abbildung 1: Bluetooth-Low-Energy-Mesh-Geräte können unterschiedliche Rollen für die Mesh-Umgebung einnehmen. (Quelle: Bluetooth SIG)
Innerhalb des Netzes kann jeder Knoten als Licht fungieren und eine oder mehrere Funktionen beinhalten, die für die Funktionalität der Netzumgebung als Ganzes entscheidend sind. Die Repeater-Knoten können die empfangenen Nachrichten weitersenden und so das Netzwerk bei Bedarf praktisch ins Unendliche erweitern. Zwischengeschaltete Knoten kommunizieren mit anderen, die nicht Bluetooth Low Energy sind oder Bluetooth Low Energy nicht unterstützen, und fügen sie dem Netz hinzu, während "Freund"-Knoten Nachrichten für andere Knoten speichern, die im Energiesparmodus arbeiten. Low-Power-Knoten fragen regelmäßig befreundete Knoten nach Nachrichten ab, wodurch mehr Energie gespart wird.
Sicherheit ist in jedem vernetzten System von größter Bedeutung, und Bluetooth Low Energy-Mesh-Netzwerke bilden da keine Ausnahme. Alle Nachrichten werden verschlüsselt und authentifiziert, und die Maskierung erschwert die Nachverfolgung von Nachrichten und schützt sie so vor Replay-Angriffen. Innerhalb des Bluetooth Low Energy-Protokolls gibt es einen Prozess zum Austausch von Sicherheitsschlüsseln und einen weiteren sicheren Prozess beim Hinzufügen von Knoten zum Mesh. Wenn Knoten aus einem Bluetooth Low Energy-Netzwerk entfernt werden, geschieht dies ebenfalls auf sichere Weise, um Trashcan-Angriffe zu verhindern.
Eine Alternative zu Bluetooth-Low-Energy-Mesh-Netzwerken ist Zigbee Green Power, das es schon länger gibt. Das Zigbee-Protokoll, das auf den MAC- und PHY-Schichten von IEEE 802.15.4 basiert, wird unter anderem in Beleuchtungsprodukten wie denen von Ikea, Xiaomi und Philips verwendet. Dieses umweltfreundliche und energieeffiziente Protokoll ist mit neuen Bautrends kompatibel und lässt sich in Gebäuden einfach implementieren, installieren und neu konfigurieren.
Während Bluetooth Low Energy ursprünglich auf einem Mesh-Modell basiert und ein Smartphone für die Cloud-Konnektivität verwendet, verwendet Zigbee Dotdot oder ZCL (Zigbee Cluster Library) und erfordert ein spezielles Gateway, da nur sehr wenige mobile Geräte, wenn überhaupt, Zigbee-kompatibel sind.

Zigbee kann batterielose oder Power-Harvesting-Technologie verwenden, um umweltfreundliche, wartungsfreie, tragbare Lichtschalter bereitzustellen. Da sie keine Verkabelung erfordern, können sie praktisch überall platziert werden und ihre Installation ist sehr wirtschaftlich.
Abbildung 3: Das Koppeln eines Switches mit Energy Harvesting ist ein schneller und einfacher Vorgang.
Die Konfiguration eines Power-Harvesting-Schalters mit Geräten wie dem NCS36510 von ON Semiconductor lässt sich schnell und einfach bewerkstelligen. Dieses vollständig integrierte, stromsparende SoC (System on Chip) bietet ein fortschrittliches Energiemanagement und einen IEEE 802.15.4-kompatiblen Transceiver. Mit diesem Gerät können Sie mit einer minimalen Anzahl externer Komponenten ein vollständig sicheres drahtloses Netzwerk entwerfen.
vernetzte Beleuchtungsplattform
Mit dem Ziel, die Entwicklung noch einfacher und schneller zu machen, hat ON Semiconductor ein modulares Entwicklungskit für industrielle LED-Beleuchtungslösungen geschaffen. Diese als Connected Lighting Platform bezeichnete Plattform besteht aus einem Konnektivitätsmodul, das auf dem RSL10 SIP-Gerät (RSL10 System in Package) basiert und Steuerungen wie Ein/Aus, Dimmen und Zeitplanung bietet.
Die mobile RSL10 FOTA-App, die bei Google Play™ und im Apple App Store erhältlich ist, fügt Unterstützung für drahtlose Firmware-Updates hinzu. Die RSL10 Sense and Control-App ermöglicht Entwicklern die Steuerung und Überwachung von Umgebungssensoren und -aktoren von einem mobilen Gerät aus. Die praktischen Koffer, die das CMSIS-Paket enthält, ermöglichen es Ihnen, neue Funktionen hinzuzufügen und das Design anzupassen.
Die Connected Lighting Platform unterstützt bis zu zwei LED-Streifen. Seine LED-Steuerkarte verfügt über zwei FL7760-Treiber, einen für jeden LED-Streifen, die jeweils bis zu 70 W liefern. Das System kann insgesamt bis zu 70 W und 7000 Lumen erreichen, und sogar noch mehr, wenn eine LED mit höherer Effizienz ausgewählt wird (z. B. 150 Lumen / W). Die Auswahl an verfügbaren Leistungsmodulen ermöglicht die Stromversorgung der Plattform über eine AC/DC-Quelle oder über PoE.
Flexibilität und Kontrolle
Selbst in einem relativ einfachen System kann eine vernetzte Beleuchtung einen ebenso wichtigen Vorteil wie die Reduzierung des Energieverbrauchs und damit die Senkung der Kosten bieten. Dies macht es zu einer klaren Alternative in vielen industriellen und privaten Anwendungen. Da vernetzte Beleuchtung ihre Fähigkeiten erweitert, entstehen auch neue Anwendungen im Bereich Medizin und Landwirtschaft.
Beide Umgebungen erfordern ein optimiertes Steuerungssystem, das niedrige Stücklistenkosten und ein Gleichgewicht zwischen anspruchsvoller Funktionalität und Einfachheit erreicht. Durch die Verwendung eines BOM-optimierten Design-Kits wie der Connected Lighting Platform von ON können Entwickler wertvolle Zeit beim Aufbau ihrer LED-Beleuchtungssysteme sparen und Risiken reduzieren, unabhängig von der Anwendung.