di Bruno Damien | IoT Strategic Marketing Director – EMEA di Onsemi
Uno dei settori che maggiormente contribuisce ai consumi energetici su scala mondiale è sicuramente quello dell’illuminazione. Nel momento in cui aumentano costi e problematiche di natura ambientale, la ricerca di modalità finalizzate a sfruttare tecnologia e innovazione per ottimizzare efficienza e funzionalità dell’illuminazione, riducendo così il fabbisogno di energia, sta diventando un’esigenza sempre più sentita.
Il controllo “intelligente” dell’illuminazione per applicazioni residenziali è superiore di quattro volte, in termini di volumi, rispetto a quello relativo alle applicazioni in ambito industriale. Entrambi, comunque, sono uno dei settori dell’universo IoT (Internet of Things) caratterizzati dai più alti tassi di crescita. In generale, i sistemi di illuminazione di tipo residenziale sono più semplici rispetto agli analoghi sistemi destinati al mondo industriale, richiedono un numero minore di componenti (BoM Bill of Material) e sono più economici.
Vi sono molti aspetti da considerare durante lo sviluppo di applicazioni di illuminazione per i settori industriale e residenziale: la modularità, la possibilità di controllare l’illuminazione con dispositivi mobili, l’introduzione di funzionalità aggiuntive nel controllo dell’illuminazione, come la regolazione dell’intensità luminosa (dimming) e il controllo del colore dei LED, fino ad arrivare a sistemi più complessi, che supportano la completa automazione dell’illuminazione, la gestione dell’energia, il rilevamento e il controllo dell’intensità e la connettività in downlink.
Un elemento cruciale per i sistemi di illuminazione controllati è poi la connettività. Vi è la connettività tra l’illuminazione e il sistema di gestione dell’edificio (BMS – Building Management System) che fornisce il controllo complessivo, la connettività tra gli elementi del sistema e la connettività utilizzata durante le fasi di setup (predisposizione) e commissioning (messa in servizio) del sistema. Una volta implementati gli elementi di connettività, lo sviluppatore può aggiungere diversi tipi di sensori (per rilevare temperatura, umidità e livelli di illuminazione). Questi sensori, di tipo locale oppure basati su cloud, garantiscono un notevole valore aggiunto alle applicazioni industriali in quanto possono essere utilizzati per ottenere informazioni utili per la manutenzione o l’ottimizzazione dei sistemi.
I protocolli: BLE, Green Power e PoE
Tra i protocolli di connettività più diffusi nel settore dell’illuminazione si possono annoverare Bluetooth® Low Energy (BLE), Green Power™ di Zigbee Alliance™ e Power over Ethernet (PoE), mentre Near Field Communication (NFC) è solitamente utilizzato in fase di predisposizione e di messa in servizio.
La tecnologia di tipo mesh (a maglia) è ideale per applicazioni in ambito industriale, in quanto consente la connessione di un gran numero di dispositivi, sia tra di loro sia con l’esterno. Bluetooth Low Energy dà ora la possibilità di creare una rete mesh composta da un massimo di 32.000 dispositivi con funzionalità di sicurezza integrate, semplificando enormemente la predisposizione di soluzioni di illuminazione di dimensioni molto ampie.
All’interno di questa maglia, ogni nodo può agire come una luce ed espletare nel contempo una o più funzionalità, ognuna delle quali è essenziale al funzionamento della struttura della rete mesh complessiva. I nodi “relay” (di inoltro) possono ritrasmettere i messaggi ricevuti estendendo quasi all’infinito la rete, se necessario. I nodi “proxy” (di prossimità) comunicano con altri nodi che non sono di tipo Bluetooth Low Energy o non supportano lo stack di questo protocollo coinvolgendoli nella rete, mentre i nodi “friend” (amici) memorizzano messaggi per altri nodi che si trovano in modalità a basso consumo. Questi ultimi nodi interrogano su base periodica i nodi “friend” per verificare se vi sono messaggi diretti a loro, una modalità operativa questa che consente un ulteriore risparmio di energia.
La sicurezza è un requisito imprescindibile per ogni sistema connesso e le reti mesh BLE non fanno certo eccezione. Tutti i messaggi sono cifrati e autenticati e la funzionalità di “offuscamento” rende più difficile il tracciamento dei messaggi, garantendo in tal modo la protezione contro attacchi di tipo replay. Il protocollo Bluetooth Low Energy prevede un procedimento per cambiare le chiavi di sicurezza, oltre a un altro processo intrinsecamente sicuro per l’aggiunta di nodi alla rete mesh. Anche la rimozione dei nodi da una rete Bluetooth Low Energy avviene in modo sicuro al fine di impedire il verificarsi di attacchi di tipo “trashcan”.
Un approccio alternativo al mesh networking conforme a Bluetooth Low Energy è rappresentato dall’utilizzo di Green Power, uno standard più maturo rispetto a BLE. Il protocollo Green Power è realizzato a partire dai livelli PHY e MAC definiti dallo standard IEEE 802.15.4 ed è integrato in prodotti di illuminazione di aziende di primo piano come Ikea®, Xiami® e Philips®. Questo protocollo “ecologico” e a basso consumo supporta le nuove tendenze del settore dell’edilizia ed è più semplice da implementare negli edifici rispetto a BLE, oltre a garantire la massima semplicità nelle fasi di installazione e messa in funzione (deployment) e riconfigurazione.
Il protocollo Green Power può utilizzare tecnologie di energy harvesting, evitando in tal modo il ricorso a batterie, consentendo la realizzazione di interruttori della luce portatili, ecologici e che non richiedono manutenzione. Poiché non è richiesto alcun cablaggio, tali interruttori possono essere posizionati praticamente dovunque e l’installazione risulta estremamente economica. Un esempio lo offre il set-up di un interruttore che utilizza tecniche di energy harvesting effettuato mediante dispositivi come NCS36510 di ON Semiconductor: questo SoC ad alto grado di integrazione e bassi consumi supporta funzionalità di gestione della potenza avanzate e prevede un transceiver conforme a Ieee 802.15.4. Grazie a questo SoC è possibile progettare una rete wireless completa e sicura ricorrendo a un numero veramente minimo di componenti esterni.
L’esecuzione e l’istradamento dei cablaggi rappresenta sempre una spesa notevole in qualsiasi progetto edilizio e un’esecuzione sicura e conforme alle normative dell’alimentazione da rete per l’illuminazione negli edifici non rappresenta un’eccezione. In ogni caso, il passaggio all’alimentazione basata su LED e la disponibilità della tecnologia PoE (Power over Ethernet) hanno avuto un notevole impatto, perché è ora possibile utilizzare un unico cavo sia per la potenza sia per i dati.
Lo standard PoE2 (802.3bt) prevede l’erogazione di una potenza fino a 90 W, più che sufficiente per luci LED. Un esempio pratico è rappresentato da una soluzione di illuminazione connessa da 60 W alimentata mediante il suo cavo Ethernet che utilizza un controllore integrato conforme alle specifiche IEEE 802.3bt. In grado di supportare fino a due stringhe di LED, questa soluzione prevede due canali LED che integrano il dispositivo FL7760, un controllore buck a corrente costante di ON Semiconductor che rileva la tensione ai capi di un resistore high-side esterno.
Con una configurazione di questo tipo il segnale è in grado di controllare la variazione della luminosità nell’intervallo da 0 al 100% utilizzando una frequenza PWM pari a 1,3 MHz. Il controllo della luminosità viene fornito da una radio Bluetooth Low Energy come RSL10 che può essere utilizzato in soluzioni a radio frequenza alimentate sfruttando tecniche di recupero e accumulo dell’energia (energy harvesting). La tensione di alimentazione di RSL10 è fornita da un semplice LDO ad alta tensione.
Una soluzione di questo tipo permette di raggiungere livelli di efficienza superiori al 90%, assicurando in tal modo che quasi tutta l’energia proveniente dal controllore PoE venga convertita in luce: in questo caso è possibile ottenere una luminosità fino a 6.000 lumen. Prestazioni di questo tipo sono in linea con l’esigenza di minimizzare i consumi fornendo ne conte,o una soluzione di illuminazione smart.
La proposta di Onsemi: una piattaforma di illuminazione connessa
Onsemi ha messo a punto un kit di sviluppo modulare per soluzioni di illuminazione a LED industriali: la “Connected Lighting Platform”, una piattaforma configurabile a due stadi che eroga una potenza massima di 70 W, fornendo una luminosità massima di 7.000 Lumen a partire da una alimentatore AC/DC o sfruttando la tecnologia PoE, a seconda del tipo di modulo di potenza selezionato. Il sistema supporta fino a quattro stringhe di LED e ogni scheda per il pilotaggio di LED prevede due driver FL7760 per ciascuna stringa di LED, in grado di fornire una potenza di 27 W per stringa.
Basato su RSL10 SIP (System In Package), il modulo di connettività prevede diverse opzioni per il controllo in modalità wireless a basso consumo, tra cui accensione/spegnimento, regolazione dell’intensità luminosa e programmazione. L’aggiunta di nuove funzionalità e l’apporto di ulteriori personalizzazioni sono supportate dai casi d’uso integrati nell’apposito package CMSIS. Grazie alla app per dispositivi mobile RSL10 FOTA, disponibile su Google Play™ e Apple® IoS®), è possibile effettuare aggiornamenti del firmware in modalità wireless. La app “Sense and Control” di RSL10 permette agli sviluppatori di controllare e monitorare azionamenti e sensori ambientali da un dispositivo mobile.
L’illuminazione connessa, in grado di consentire ai costruttori che operano in ambito industriale di ridurre i consumi di energia, ha significative potenzialità nell’ambito delle applicazioni IoT. La piattaforma di illuminazione connessa è una soluzione economica e ottimizzata che abbina tutte le migliori tecnologie necessarie per supportare lo sviluppo delle più sofisticate applicazioni di illuminazione a LED.
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