Valaistus on yksi suurimmista energian kuluttajista. Kun energian kustannukset ja huoli energiankäytön vaikutuksista ympäristöön kasvavat, on entistä tärkeämpää löytää tapoja käyttää tekniikkaa ja innovaatioita valaistuksen tehokkuuden ja toimivuuden optimoimiseksi ja tehontarpeen vähentämiseksi.
|
Artikkelin kirjoittaja Bruno Damien toimii ON Semiconductorilla IoT-alueen strategisen markkinoinnin johtajana. |
Älykäs valaistuksen hallinta asuinrakennuksissa on kooltaan neljä kertaa suurempi alue kuin teollisuusrakennuksissa. Yhdessä ne ovat esineiden internetin nopeimmin kasvava sektori. Yleisesti ottaen, ja odotetusti, asuinjärjestelmät ovat yleensä yksinkertaisempia kuin teolliset, ja niiden materiaaliluettelo on paljon yksinkertaisempi ja edullisempi.
Vaikka tehokkuus (ja siten kustannusten hallinta) on ensisijainen ajuri useimpiin verkotetun valaistuksen ohjauksiin, on olemassa useita muita näkökohtia, jotka tulevat esiin kehitettäessä valaistussovelluksia asuin- ja teollisuusmarkkinoilla. Modulaarisuus on tärkeää, sillä se mahdollistaa valaistusjärjestelmien laajentamisen ja segmentoinnin, kun taas kyky hallita valaistusta mobiililaitteilla mahdollistaa kehittyneiden rajapintojen käyttöönoton ilman erillisen näytön kustannuksia. Parannetun hallinnan ansiosta uusia valaistussovelluksia on tulossa uusille alueille kuten lääketieteellisen hoitoon ja maatalouteen.
Perusvalaistuksen hallinta alkaa kyvystä kytkeä valaistus päälle ja pois päältä, ja se ulottuu ledien himmentämiseen ja värien hallintaan. Monimutkaisemmat järjestelmät tukevat valaistuksen, energianhallinnan, intensiteetin hallinnan ja tunnistamisen sekä downlink-verkkoyhteyksien täydellistä automatisointia.
Liitäntäprotokollat
Verkkoon liitettävyys on keskeinen tekniikka hallituille valaistusjärjestelmille, vaikka liitettävyyteen liittyy tässä yhteydessä useita näkökohtia. Valaistuksen ja rakennuksen hallintajärjestelmän (BMS, building management system) välillä on yhteys, joka tarjoaa kokonaisohjauksen, järjestelmän elementtien välisen yhteyden ja järjestelmän asennuksen ja käyttöönoton yhteydessä käytetyn yhteyden. Kun yhteyselementti on otettu käyttöön, kehittäjä voi lisätä erilaisia antureita (lämpötila, kosteus, valaistustasot). Nämä paikalliset tai pilvipohjaiset anturit lisäävät merkittävästi teollisten sovellusten arvoa, koska niitä voidaan käyttää tietojen ilmoittamiseen järjestelmien ylläpidon tai optimoinnin tarpeisiin.
Ensisijaiset käytettävät protokollat ovat Bluetooth Low Energy, ZigBee Alliancen Green Power ja PoE eli Power over Ethernet. NFC-linkkejä käytetään myös, mutta tyypillisesti vain asennukseen ja käyttöönottoon.
Mesh-tekniikka soveltuu ihanteellisesti teollisiin valaistussovelluksiin, koska sen avulla suuri määrä laitteita voi muodostaa yhteyden sekä toisiinsa että ulos verkkoon. Bluetooth Low Energy sisältää nyt kyvyn luoda jopa 32 000 laitteen verkko vakiona sisäänrakennetulla suojauksella, mikä yksinkertaistaa huomattavasti laajennettujen valaistusratkaisujen määritystä.
Kuva 1: Bluetooth Low Energy -mesh-laitteilla voi olla erilaisia toimintoja mesh-kehyksen tukemiseen.
Mesh-verkon sisällä kukin solmu voi toimia valona samalla, kun sillä on yksi tai useampi muu toiminto, joista kukin on välttämätön verkon koko kehyksen toiminnallisuudelle. Välityssolmut voivat lähettää vastaanotettuja viestejä uudelleen laajentaen verkkoa tarvittaessa lähes loputtomasti. Välityspalvelinsolmut kommunikoivat muiden kanssa, jotka eivät ole BLE-solmuja tai edes BLE-yhteensopivia ja tuovat ne osaksi verkkoa. Pienitehoiset solmut huhuilevat säännöllisesti naapurisolmuihin viestejä varten, mikä säästää enemmän energiaa.
Turvallisuus on olennaista kaikissa verkkoon kytketyissä järjestelmissä, eivätkä BLE-verkot ole poikkeus. Kaikki viestit on salattu / todennettu, ja niiden peittäminen tai piilottaminen vaikeuttaa viestien seurantaa ja suojaa siten toistohyökkäyksiltä. BLE-protokollassa on oma prosessi suojausavainten vaihtamiseksi ja toinen suojattu prosessi solmujen lisäämiseksi verkkoon. Kun solmut poistetaan BLE-verkosta, myös tämä tehdään turvallisesti ns. roskakorihyökkäysten (trashcan attacks) estämiseksi.
Vaihtoehto BLE-verkolle on Green Power -tekniikka, joka on kehitetty pidempään kuin BLE:n mesh-tekniikkaa. Green Power -protokolla on rakennettu IEEE 802.15.4 -standardin MAC- ja PHY-osien päälle, ja sen löytää esimerkiksi Ikean, Xiaomin ja Philipsin valaistustuotteista. Ympäristöystävällinen ja vähän virtaa käyttävä protokolla on yhteensopiva uusien rakennustrendien kanssa, ja se on helpompi toteuttaa rakennuksissa kuin BLE. Se on myös helpompi ottaa käyttöön ja konfiguroida uudelleen.
Vaikka Bluetooth Low Energyllä on (nyt) mesh-malli ja se käyttää älypuhelinta pilviyhteyksien luomiseen, Green Power -teknologia perustuu Dotdot- tai ZigBee-klusterikirjastoon (ZCL), ja sillä on oma yhdyskäytävä, koska hyvin harva mobiililaite tukee ZigBee protokollaa.
Kuva 2: BLE-mesh- ja ZigBee-protokollien vertailu.
Green Power -protokolla voi käyttää akutonta tai energiankeruuseen perustuvaa tekniikkaa kannettavien, ympäristöystävällisten ja huoltovapaiden valokytkimien tuottamiseen. Koska johdotusta ei tarvita, ne voidaan sijoittaa melkein mihin tahansa ja asennus on erittäin edullista.
Kuva 3: Energiankeruukytkimen parittaminen on helppo ja nopea prosessi.
Energiankeräyskytkimen asennus onnistuu nopeasti ja helposti käyttämällä ON Semiconductorin NCS36510-piirin kaltaisia laitteita. Pienitehoinen, täysin integroitu järjestelmäpiiri tarjoaa edistyksellisen virranhallinnan ja IEEE 802.15.4 -yhteensopivan lähetinvastaanottimen. Se tukee kokonaisen, turvallisen langattoman verkon suunnittelua, jossa on vain vähän ulkoisia komponentteja.
Tehoa valaistusjärjestelmään ethernetin yli
Kaapelointi ja sen reitittäminen on aina merkittävä kustannus missä tahansa rakennushankkeessa, eikä rakennusten valaistuksen turvallinen ja yhteensopiva sähköistys ole poikkeus. Siirtyminen ledipohjaiseen valaistukseen ja PoE- eli Power over Ethernet -toiminnon saatavuus on kuitenkin muuttanut asioita merkittävästi, koska nyt on mahdollista käyttää yhtä kaapelia sekä virtaan että verkkoyhteyteen.
PoE 2 -standardi (802,3 bt) pystyy syöttämään jopa 90 wattia tehoa sovellukseen, mikä riittää helposti ledipohjaiseen valaistukseen. Käytännön esimerkki tästä on 60 watin kytketty valaistusratkaisu, joka saa virran ethernet-kaapelillaan IEEE 802.3bt -yhteensopivan integroidun ohjaimen avulla. Ratkaisussa voidaan tukea jopa kahta ledinauhaa, ja siinä on kaksi ledikanavaa, jotka sisältävät ON Semiconductroin vakiovirtaisen, Buck-tyyppisen FL7760-ohjaimen.
Tällä järjestelyllä PWM-signaali pystyy säätämään himmennystä välillä 0-100 prosenttia käyttäen PWM-taajuutta 1,3 MHz. Kirkkauden säätöä tarjoaa Bluetooth Low Energy -radio, kuten RSL10-piiri, joka soveltuu käytettäväksi RF-yhteensopivissa energiankeruuratkaisuissa. RSL10: n syöttöjännite saadaan yksinkertaisesta korkeajännitteisestä LDO:sta.
Tämä ratkaisu saavuttaa yli 90 prosentin hyötysuhteen ja varmistaa, että lähes kaikki PoE-ohjaimesta peräisin oleva energia muuttuu valoksi, mikä antaa suunnittelulle mahdollisuuden tuottaa jopa 6000 lumenin valovoiman. Tällainen suorituskyky on hyvin linjassa vallitsevan pyrkimyksen kanssa minimoida tehontarve ja tuottaa älykkäitä valaistusratkaisuja.
Verkkoon liitetyt valaistusalustat
ON Semiconductor on kehittänyt verkkoon liitettävän valaistusalustan, joka on modulaarinen kehityspaketti teollisiin ledivalaistusratkaisuihin. Konfiguroitava kaksivaiheinen alusta tuottaa jopa 70 W virtaa ja tuottaa jopa 7000 lumenin valovoiman joko AC / DC-virtalähteestä tai PoE:n kautta sen mukaan, mikä tehomoduuli on valittu. Järjestelmä tukee enintään neljää ledinauhaa ja jokaisessa lediohjainkortissa on kaksi FL7760-ohjainta kutakin nauhaa varten. Tehoa ne tuottavat 27 wattia nauhaa kohti.
Kuva 4: Verkkoon liitettävä valaistusalusta.
RSL10-järjestelmäkoteloon (RSL10 SIP) perustuva yhteysmoduuli tarjoaa pienitehoisen langattoman ohjauksen vaihtoehtoja, mukaan lukien päälle / pois, himmennys ja ohjelmointi. Mukana toimitettua CMSIS-pakettia kehittäjät voivat hyödyntää useita käytettävissä olevia käyttötapoja mukauttamalla valaistussovellustaan lisätoiminnoilla. RSL10 FOTA -mobiilisovellus (saatavana Google Playssa ja Applen IoS:lle) lisää myös tuen langattomille laiteohjelmistopäivityksille, kun taas RSL10 Sense and Control -sovelluksen avulla kehittäjät voivat hallita ja valvoa ympäristöantureita ja toimilaitteita mobiililaitteesta.
Auttamalla teollisuuden valmistajia vähentämään energiankulutusta verkkoon yhdistetyllä valaistuksella on iso potentiaali esineiden internetin kannalta. Connected Lighting Platform -alusta on optimoitu, kustannustehokas suunnittelu, joka yhdistää parhaat puolet kaikista niistä tekniikoista, joita tarvitaan kaikkein vaativimpiin ledivalaistussovelluksiin.
Autoteollisuus on siirtymässä yhä monimutkaisempiin ohjelmistopohjaisiin järjestelmiin, joissa virheetön ohjelmisto on elintärkeää turvallisuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi. Ohjelmiston laatu ja luotettavuus eivät ole enää vain valinnaisia ominaisuuksia, vaan kriittisiä vaatimuksia erityisesti autonomisessa ajamisessa, kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS) ja yhdistetyissä ajoneuvojärjestelmissä.
Kestävä digitaalinen infrastruktuuri on kriittinen, jotta tietoliikenneverkot voidaan tehokkaasti valjastaa tekoälyinnovaatioiden ja pilvipohjaisten palveluiden tarpeisiin. Tekoälyyn liittyvien datarikkaiden sovellusten lisääntyvä kysyntä edellyttää tietoliikenneverkkoa, joka kykenee käsittelemään suuria tietomääriä alhaisella viiveellä, kirjoittaa Orange Businessin kumppaniratkaisuista vastaava Carl Hansson.
Euroopan unioni ottaa merkittävän askeleen avaruusteknologian kehittämisessä allekirjoittamalla sopimuksen uuden IRIS²-satelliittijärjestelmän toteuttamisesta. Tämä 290 satelliitin verkko on suunniteltu vahvistamaan Euroopan itsenäisyyttä ja turvallista yhteydenpitoa.
Jotta voidaan vastata uuden teknologian vaatimuksiin ja pitää järjestelmät toimimassa ”kellon tavoin”, on aika harkita ajoitusratkaisuja uudelleen. Tässä kaksiosaisessa "Precision Timing" -artikkelissa opit, miksi mikroelektromekaanisiin järjestelmiin eli MEMS-komponentteihin perustuvat piiajoituslaitteet päihittävät kvartsin elektroniikkasuunnittelun uudella aikakaudella. 
Matalatehoisten langattomien ratkaisujen asiantuntija Nordic Semiconductor ja eSIM-ratkaisuja kehittävä Kigen ovat julkistaneet yhteistyön, joka sujuvoittaa massiivisten IoT-verkkojen käyttöönottoa. Yhdessä he esittelevät CES 2025 -messuilla ratkaisun, joka yhdistää Nordic Semiconductorin nRF9151-moduulin ja Kigenin SGP.32 IoT eSIM-teknologian sekä laitteiden hallinta-alustan.
