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Vernetzte Beleuchtungssysteme entwickeln

17. Juli 2020, 09:35 Uhr   |  Nicole Wörner


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Power over Ethernet für Beleuchtungssysteme

Der PoE-2-Standard (802.3bt) kann bis zu 90 W Leistung bereitstellen – viel für eine LED-basierte Leuchte, die im Vergleich zu herkömmlichen Glühlampen einen geringeren Stromverbrauch hat.

Ein Beispiel aus der Praxis ist eine 60-W-Beleuchtung, die über ein Ethernet-Kabel und den IEEE-802.3bt-kompatiblen integrierten Controller mit Strom versorgt wird. Die Lösung unterstützt bis zu zwei LED-Stränge und verfügt über zwei LED-Kanäle, die auf der High Side den Konstantstrom-Buck-/Abwärts-Regler FL7760 von ON Semiconductor enthalten. Damit kann das PWM-Signal das Dimmen von 0 bis 100 % über eine PWM-Frequenz von 1,3 MHz steuern. Die Helligkeitsregelung erfolgt über einen BLE-Funk-IC wie den RSL10, der sich für funkbasiertes Energy Harvesting eignet. Die Versorgungsspannung des RSL10 wird über einen einfachen High-Voltage-LDO bereitgestellt.

Diese Lösung erreicht Wirkungsgrade von mehr als 90 % und stellt sicher, dass fast die gesamte vom PoE-Controller stammende Energie in Licht umgewandelt wird, sodass das Design bis zu 6000 Lumen liefern kann. Diese Leistungsfähigkeit ist gut auf die Forderungen abgestimmt, den Strombedarf zu minimieren und vernetzte Beleuchtungslösungen zu etablieren.

ON Semiconductor
© ON Semiconductor

Die vernetzte Beleuchtungsplattform (Connected Lighting Platform) von ON Semiconductor

Bluetooth-Low-Energy-/BLE-Mesh-Netzwerk

Anstelle einer einfachen Punkt-zu-Punkt-Kommunikation eignet sich ein funkbasiertes Mesh-Netzwerk ideal für industrielle Beleuchtungsanwendungen, da sich eine große Anzahl von Geräten/Leuchten miteinander als auch extern vernetzen lässt. BLE bietet heute die Möglichkeit, ein Mesh-Netzwerk mit bis zu 32.000 Endpunkten mit integrierter Sicherheit als Standard zu erstellen, was Beleuchtungslösungen mit hoher Reichweite erheblich vereinfacht.

Innerhalb des Netzes kann jeder Knoten als Leuchte fungieren und gleichzeitig eine oder mehrere andere Funktionen ausüben, von denen jede für die Funktionsvielfalt des gesamten Mesh-Frameworks entscheidend ist. Relais-Knoten können empfangene Nachrichten weiterleiten und so das Netzwerk bei Bedarf nahezu unendlich erweitern. Proxy-Knoten kommunizieren mit anderen Knoten, die nicht BLE-fähig sind, und bringen sie in das Netz mit ein, während „Friend“-Knoten Nachrichten für andere Knoten speichern, die im Energiesparmodus arbeiten. Knoten mit geringem Stromverbrauch fragen die Friend-Knoten regelmäßig nach Nachrichten ab, wodurch mehr Energie gespart wird.

Sicherheit ist in jedem vernetzten System unerlässlich, und BLE-Mesh-Netzwerke sind keine Ausnahme. Alle Nachrichten sind verschlüsselt/authentifiziert; die Verschleierung erschwert das Verfolgen von Nachrichten und schützt so vor Replay-Angriffen. Innerhalb des BLE-Protokolls gibt es einen Prozess zum Ändern der Sicherheitsschlüssel und einen weiteren sicheren Prozess zum Hinzufügen von Knoten in das Netz. Werden Knoten aus einem BLE-Netzwerk entfernt, geschieht dies ebenfalls auf sichere Weise, um „Trashcan“-Angriffe zu verhindern.

Ein alternativer Ansatz für BLE-Mesh-Netzwerke ist Zigbee Green Power, das schon länger etabliert ist. Zigbee baut auf MAC und PHY aus IEEE 802.15.4 auf und ist unter anderem in Lampen von Ikea, Xiaomi und Philips enthalten. Das umweltfreundliche, stromsparende Protokoll ist mit neuen Gebäudetrends kompatibel und lässt sich einfach umsetzen, bereitstellen und neu konfigurieren.

Während BLE (jetzt) über ein natives Mesh-Modell verfügt und ein Smartphone für die Cloud-Anbindung nutzt, setzt Zigbee auf Dotdot oder eine Zigbee-Cluster-Bibliothek (ZCL) und verfügt über ein dediziertes Gateway, da nur wenige (wenn überhaupt) mobile Geräte ZigBee-fähig sind.

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