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”, o connesso, dell’illuminazione è in grado di soddisfare la richiesta di maggiore efficienza e di aumento del numero di funzionalità. Il mercato del controllo smart dell’illuminazione per applicazioni residenziali è superiore di quattro volte, in termini di volumi, rispetto a quello per le 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 connessi 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. Al livello più basso, l’illuminazione connessa può riassumersi nella possibilità di accendere o spegnere le luci, magari da remoto o in orari del giorno prestabiliti. A un livello superiore, i sistemi di illuminazione connessi possono integrare funzionalità aggiuntive, come ad esempio la regolazione dell’intensità luminosa (dimming) e il controllo del colore dei LED. Oltre a ciò, è disponibile un’ampia gamma di opzioni, soprattutto nel momento in cui vengono aggiunti sensori che possono essere utilizzati, ad esempio, per controllare l’illuminazione in funzione del livello di luce ambientale o della presenza o meno di persone in una stanza. Nel caso di applicazioni in ambito industriale, l’impiego di sensori per rilevare parametri quali temperature, umidità e livelli di illuminazione può essere molto utile poiché i dati acquisiti possono essere utilizzati sia per controllare le luci sia per semplificare la manutenzione dei sistemi. Grazie agli odierni smartphone, i sistemi di illuminazione possono disporre di un’interfaccia utente sofisticata su un dispositivo mobile, senza quindi dover ricorrere a uno schermo dedicato (e costoso) o a complessi pulsanti.
Connessione totale
Naturalmente, uno degli aspetti più importanti di un sistema di illuminazione “intelligente” è la modalità di comunicazione di tutti i componenti coinvolti, oltre alla tecnologia utilizzata per la connessione. Per quanto concerne la connettività, tra i requisiti da prendere in considerazione vi sono il periodo in cui è stato effettuato il commissioning (ovvero la messa in servizio del sistema), i collegamenti tra ciascun dispositivo in uso e la comunicazione tra il sistema di gestione dell’edificio e l’illuminazione controllata dell’utente. La prima decisione da prendere riguarda la modalità di connessione: wireless o cablata. Nel caso di luci alimentate a batteria, la prima opzione ha il notevole vantaggio di non richiedere l’esecuzione o l’instradamento di cablaggi, il che può comportare una notevole riduzione dei costi. Tra i protocolli wireless più diffusi nel settore dell’illuminazione si possono annoverare Bluetooth® Low Energy (BLE) e Zigbee Green Power, mentre Near Field Communications (NFC) può essere utilizzato in fase di predisposizione (set-up) e di messa in servizio. Nel caso di luci alimentate dalla rete, la connettività in modalità wireless può rappresentare ancora una valida opzione, in quanto evita il ricorso a un secondo cavo per i dati in abbinamento a quello utilizzato per la potenza. In alternativa è possibile ricorrere alla tecnologia PoE (Power over Ethernet) che permette di utilizzare un unico cavo per la potenza e per i dati.
Power over Ethernet per i sistemi di illuminazione
Lo standard PoE2 (802.3bt) prevede l’erogazione di una potenza fino a 90 W, più che sufficiente per luci LED, caratterizzati da consumi di potenza inferiori rispetto alle tradizionali lampade a incandescenza. 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 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 utilizzando una soluzione di illuminazione connessa.
Reti mesh che utilizzano Bluetooth Low Energy
Al contrario delle semplici comunicazioni di tipo punto-punto, la tecnologia wireless 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 ampie dimensioni. 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 Zigbee Green Power, uno standard più maturo rispetto a BLE. Zigbee 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 e assicura la massima semplicità nelle fasi di implementazione negli edifici, installazione e messa in funzione (deployment) e riconfigurazione. Mentre Bluetooth Low Energy è (ora) in grado di supportare in modo nativo una rete mesh e utilizza uno smartphone per la connettività al cloud, Zigbee deve ricorrere a Dotdot o a una libreria ZCL (Zigbee Cluster Library) e prevede un gateway dedicato in quanto (quasi) nessun dispositivo mobile supporta il protocollo ZigBee. Zigbee può utilizzare tecnologie di energy harvesting, evitando in tal modo il ricorso a batterie, consentendo in tal modo la realizzazione di interruttori della luce portatili, ecologici e che non richiedono manutenzione. Poichè non è richiesto alcun cablaggio, tali interruttori possono essere posizionati praticamente dovunque e l’installazione risulta estremamente economica. Il set-up di un interruttore che utilizza tecniche di energy harvesting utilizzando dispositivi come NCS36510 di ON Semiconductor è un’operazione molto semplice e rapida. 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.
Piattaforma di illuminazione connessa
Per semplificare e accelerare la fase di sviluppo ON Semiconductor ha messo a punto un kit di sviluppo modulare per soluzioni di illuminazione a LED industriali. La “Connected Lighting Platform” integra un modulo di connettività basato su RSL10 SIP (System In Package) che supporta operazioni di controllo (ad esempio accensione/spegnimento), regolazione dell’intensità luminosa e programmazione. Grazie alla app per dispositivi mobile RSL10 FOTA, disponibile su Google Play e nell’app store di Apple, 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’aggiunta di nuove funzionalità e l’apporto di ulteriori personalizzazioni sono supportate dai casi d’uso integrati nell’apposito package CMSIS. La piattaforma di illuminazione connessa supporta fino a due stringhe di LED. La sua scheda per il pilotaggio dei LED dispone di due driver FL7760, uno per ogni stringa di LED, in grado di fornire una potenza massima di 70 W per stringa. Complessivamente il sistema può erogare fino a 70 W, fornendo una luminosità massima di 7000 lumen, valore che può aumentare nel caso si utilizzi un LED caratterizzato da un’efficienza più elevata (ad esempio un dispositivo da 150 lumen/W). La possibilità di scegliere tra una vasta gamma di moduli di alimentazione consente di alimentare la piattaforma mediante un alimentatore AC/DC o sfruttando la tecnologia PoE.
Flessibilità e controllo
Anche se relativamente semplice, l’illuminazione connessa può garantire vantaggi chiave in quanto permette di ridurre l’uso di energia, con conseguente abbattimento dei costi. Per questo motivo rappresenta la scelta più ovvia per molte applicazioni in ambito residenziale e industriale. Il progressivo aumento delle funzionalità supportate dall’illuminazione connessa ne permetterà l’utilizzo in nuovi settori come a esempio quelli dell’agricoltura e delle terapie in campo medicale. Per ciascuna di queste aree applicative è necessario ricorrere a un sistema di controllo ottimizzato che permetta di ridurre il costo della BoM e di “equilibrare” in modo semplice funzionalità complesse. L’utilizzo di un kit di progettazione che richiede una BoM ridotta, fatto questo particolarmente apprezzato dagli EMS, come la piattaforma di illuminazione connessa di ON Semiconductor consente agli sviluppatori di risparmiare tempo prezioso nella realizzazione dei loro sistemi di illuminazione a LED e di ridurre considerevolmente i rischi, qualunque sia la particolare applicazione considerata.
Fig. 2 – Confronto tra le principali caratteristiche dei protocolli BLE mesh e Zigbee
Fig- 3 – L’accoppiamento (pairing) di un interruttore che utilizza tecniche di energy harvesting è un processo semplice e veloce
Fig. 4 – La piattaforma di illuminazione connessa di ON Semiconductor
