Jak zaprojektować system oświetlenia użyteczny w przyszłości?

Firmy takie, jak Google, Amazon, Apple czy Microsoft są bardzo zainteresowane korzyściami, które mogą przynieść im klienci posiadający dużą liczbę urządzeń elektrycznych – gdy pewnego dnia zdecydują się oni podłączyć je wszystkie do Internetu. Produkty i usługi takie, jak Google Nest i Amazon Echo z systemem rozpoznawania głosu Alexa przyczyniają się do rozwoju ekosystemów, które pozwolą użytkownikom zarządzać i wchodzić w interakcję z najróżniejszymi inteligentnymi urządzenia podłączonymi do sieci. Mogą to być na przykład termostaty, zamki w drzwiach, wentylatory i grzejniki.

Produkty z jedną funkcją – dotychczas proste i samodzielne – stopniowo są przekształcane w inteligentne węzły Internetu Rzeczy (IoT). Zmiany te dotyczą również instalacji oświetleniowych, włączników światła i układów ściemniania.

Pytanie, które zadają sobie producenci oświetlenia, brzmi: Kto zarobi na tych zmianach? Firmy takie, jak Amazon czy Google mogą bardzo wiele zyskać, jeśli uda im się wprowadzić dominującą platformę dla połączonych urządzeń. Firmy te życzyłyby sobie, aby oświetlenie otrzymało oznaczenia, takie jak na przykład „współpracuje z Amazon Alexa” lub „współpracuje z Apple HomeKit”.

Jednak oddanie kontroli nad implementacją IoT firmom IT jest niekorzystne z punktu widzenia dostawców oświetlenia – pozbawia ich wpływu na usługę oferowaną klientowi, a także powoduje utratę dochodów z tych dodatkowych usług możliwych dzięki inteligentnym implementacjom systemów oświetlenia.

Fot. 1. Inteligentne urządzenie domowe Amazon Echo

Jest jasne, że walka o ten rynek rozstrzygnie się w ciągu kilku najbliższych lat. Produkty oświetleniowe staną się inteligentne i połączone z siecią. Dostawcy oświetlenia muszą zatem wejść na rynek IoT – i to już teraz.

Oczywiście łatwiej jest powiedzieć, niż to zrobić. Jednym z największych wyzwań, z którymi dostawcy OEM muszą sobie poradzić, jest wybór najlepszego sposobu na podłączenie do Internetu zarówno inteligentnych urządzeń oświetleniowych, jak też istniejącej infrastruktury oświetleniowej. Producenci oświetlenia napotykają trudności spowodowane istnieniem ogromnej liczby protokołów i standardów związanych z komunikacją i sterowaniem, które można wykorzystać w systemach oświetlenia i automatyki budynkowej.

Czy dostawcy OEM zainwestują dużo czasu i zasobów na opracowanie nowej serii inteligentnych, sieciowych systemów oświetlenia, jeśli może okazać się, że używają one niepopularnych protokołów lub są wypierane przez inny albo nawet zupełnie nowy standard? Czy nie lepiej poczekać, aż sytuacja na rynku się wyklaruje, a branża wyłoni stabilne rozwiązania technologiczne, które pozwolą natychmiast rozpocząć produkcję inteligentnego oświetlenia?

 

Protokoły sterujące: zbyt duży wybór?

Producenci oświetlenia mają ogromny wybór technologii pozwalających na realizację systemu oświetlenia lub sieci nim sterującej. Branża oświetleniowa wykorzystuje sterowanie PWM, a także protokoły DALI, 0-10 V, jak też protokół komunikacji DMX512. Funkcjonalność oferowana przez protokoły DALI, 1-10V jest ograniczona do podstawowych funkcji oświetlenia, takich jak włączanie i wyłączanie, ściemnianie czy monitorowanie awarii.

Istnieje wiele innych technologii, które mogłyby zostać wykorzystane do połączenia inteligentnych urządzeń oświetleniowych. Są one stosowane głównie w automatyce budynkowej i mieszkaniowej. Należą do nich:

  • Wi-Fi
  • Li-Fi
  • KNX
  • LoRaWAN
  • Sigfox
  • NB-IoT
  • PLC
  • Ethernet
  • Bluetooth
  • WiMAX
  • ZigBee
  • BACnet
  • EnOcean
  • LonWorks

Oczywiście realizacja inteligentnego oświetlenia jest nieco bardziej skomplikowana, niż podłączenie kilku instalacji umieszczonych obok siebie. Kluczowe jest zapewnienie połączenia między infrastrukturą oświetleniową a Internetem. Taki system IoT zyskuje kilka zalet:

  • Obsługa sieciowa – możliwość zdalnego sterowania, monitorowania i konfiguracji urządzeń za pomocą dowolnej przeglądarki sieciowej z każdego miejsca na świecie
  • Rozszerzona funkcjonalność – dodatkowe urządzenia, takie jak czujniki jakości powietrza, czujniki zbliżeniowe lub stacje ładowania pojazdów elektrycznych, mogą odnieść korzyści dzięki integracji z istniejącą infrastrukturą oświetlenia.
  • Integracja z usługami IoT, takimi jak aplikacje do monitorowania domu. Pozwalają one na przykład zdalnie włączyć światło za pomocą smartfona, aby zapewnić bezpieczeństwo podczas nieobecności właściciela.

W takiej sytuacji dostawcy oświetlenia będą starać się zaimplementować technologię, która da poszczególnym źródłom światła możliwość połączenia się z serwerem sieci podłączonym do Internetu. Typowa infrastruktura takiej sieci, wykorzystującej technologię LoRaWAN, jest pokazana na rys. 2.

Rys. 2. Typowa sieć IoT wykorzystująca energooszczędne transceivery radiowe LoRa. Jest ona odpowiednia na przykład dla lamp ulicznych i innych elementów publicznej infrastruktury, takich jak światła drogowe i stacje ładowania pojazdów elektrycznych. (źródło: Flashnet)

LoRaWAN jest standardem sieci radiowej o dalekim zasięgu i niskim zużyciu mocy, który nadaje się znakomicie do połączenia świateł ulicznych z Internetem. Na rys. 2 zostały przedstawione elementy tej sieci:

  • Kontroler lampy – transceiver z funkcjami czujnikowymi i kontrolnymi zainstalowany na każdym słupie (fot. 3).
  • Panele kontroli oświetlenia – jednostki kontrolujące naraz wiele lamp na danym obszarze.
  • Brama LoRaWAN – urządzenie koncentratora sieciowego, który stanowi punkt dostępowy dla nawet 20.000 tysięcy węzłów, zapewniając im połączenie z Internetem. Zasięg łącza LoRa wynosi 15 km na otwartym terenie. To oznacza, że w pewnych przypadkach jedna brama LoRaWAN może wystarczyć, aby zapewnić dostęp do Internetu wszystkich latarni ulicznych w mieście średniej wielkości.
  • Aplikacja sieciowa umożliwiająca monitorowanie, analizę i sterowanie kontrolerami lamp.

Ta sama architektura może zostać wykorzystana w innych systemach oświetlenia. Na przykład w budynku biurowym technologia EnOcean dostosowana do pracy w pomieszczeniach pozwala połączyć włączniki światła i czujniki obecności z bramą sieciową.

W każdym przypadku użycia technologii sieciowej w systemie oświetlenia warto się zastanowić, czy ograniczyć wybór do otwartych lub standardowych technologii, czy też rozważyć autorskie technologie oferowane przez pojedyncze firmy. Zaletą standardowych technologii jest fakt, że o ich rozwój dba wiele firm i każda z nich ma interes w tym, aby technologia ta osiągnęła sukces na globalnym rynku. Na przykład za standard LoRaWAN odpowiada międzynarodowa organizacja LoRa Alliance – konsorcjum film telekomunikacyjnych, producentów urządzeń, integratorów systemów, producentów czujników, startupów i producentów układów półprzewodnikowych. Z kolei autorskie technologie są w całości  kontrolowane przez jedną firmę, co stwarza ryzyko, że zostaną rozwinięte lub zmodyfikowane w sposób, który okaże się niekorzystny z punktu widzenia klientów.

 

Wykorzystanie modularnych bloków składowych

Wielu producentów drobnych sprzętów ma doświadczenie tylko w projektowaniu oświetlenia – i żadnego doświadczenia w technologiach radiowych, sieciowych czy aplikacjach internetowych. Wchodząc na rynek inteligentnego oświetlenia, będą oni sobie zadawać dwa pytania:

  • Skąd mam wiedzieć, czy wybór danej technologii jest odpowiedni? Co się stanie, jeśli wybiorę niewłaściwą?
  • Jak w najlepszy sposób stworzyć inteligentną część inteligentnego systemu, zakładając, że nie mam doświadczenia w obszarze technologii radiowych i sieciowych?

Na oba pytania można udzielić tej samej odpowiedzi. Elementy przedstawione na rys. 2 są dostępne na rynku jako gotowe moduły: kontrolery lamp i panele kontrolne są produkowane przez Flashnet, a kompatybilne i gotowe do użycia bramy LoRaWAN znajdują się w ofercie między innymi MultiTech Systems, Kerlink oraz Cisco.

Fot. 3. Bezprzewodowy kontroler lampy firmy Flashnet pozwala na dodanie do urządzenia czujników światła, ruchu, uderzenia, wibracji, temperatury, wilgotności lub hałasu.

Integracja tych modułów w systemie pozostaje decyzją producenta oświetlenia. Widoczny na rys. 2 kompletny system o nazwie inteliLIGHT oferowany przez Flashnet, którego dystrybutorem jest Future Lighting Solutions. Flashnet dostarcza kontrolery lamp i panele sterujące oświetleniem – każdy z nich obsługuje komunikację radiową LoRa pozwalającą na podłączenie do bramy sieci LoRaWAN. Kontrolery lampy są dostępne w dwóch wersjach przeznaczonych dla starszych urządzeń – jednej z interfejsami 0-10V oraz DALI i jednej z gniazdem NEMA. Istnieje również wersja wbudowana przeznaczona do realizacji nowych projektów. Flashnet dostarcza również oprogramowanie sterujące, które pracuje w przeglądarce internetowej.

Kontrolery i panele kontrolne łączą się również z publicznymi bramami LoRaWAN. Sieci publiczne są dostępne w wielu krajach jako usługa oferowana przez operatorów sieci komórkowych oraz inne podmioty. Zaletą modelu LoRaWAN jest możliwość zestawienia połączenia w sieci publicznej lub prywatnej. W sieci publicznej istnieje możliwość dodawania nowych węzłów w taki sam sposób, w jaki użytkownicy rejestrują nowe telefony komórkowe w ramach sieci komórkowej – co pokazano na fot. 5. Sieć publiczna jest utrzymywana przez jej operatora, a w zamian użytkownicy uiszczają regularne opłaty za subskrypcję.

W przypadku prywatnej sieci LoRaWAN właściciel konfiguruje dedykowaną sieć na własny użytek i ponosi wszelkie koszty jej instalacji oraz utrzymania, ale nie musi płacić za subskrypcję.

Future Lighting Solutions może pomóc dostawcom OEM podczas procesu specyfikacji i wdrażania całego systemu Flashnet, dostarczając elementy sprzętowe i oprogramowanie oraz usługi  sieciowe. Takie gotowe rozwiązanie jest najłatwiejszym i najszybszym sposobem implementacji nowego projektu inteligentnego oświetlenia.

Opisane modularne podejście wykorzystujące standardowe rozwiązania pozwala na wykorzystanie technologii i produktów innych dostawców. System Flashnet inteliLIGHT może współpracować z różnymi technologiami komunikacji i platformami IoT, w tym NB-IoT, LTE Cat M1 oraz IEEE 802.15.4, jednocześnie zapewniając kompatybilność z lampami różnych producentów oraz urządzeniami inteligentnych miast.

Rys. 4. Konfiguracja inteligentnego systemu oświetlenia wnętrz proponowana przez Magnum Energy Solutions.

Również firma Magnum Synergy Solutions oferuje system typu plug-and-play zoptymalizowany pod kątem pracy w pomieszczeniach, który można też wykorzystać w pewnych scenariuszach na zewnątrz. System jest pokazany na rys. 4. Wykorzystuje on w przełącznikach i czujnikach technologie odzyskiwania energii, natomiast komunikację realizuje za pomocą technologii radiowej EnOcean umożliwiającej transmisję punkt-punkt lub nadawanie do wielu odbiorców. Ponieważ EnOcean również jest standardowym protokołem, urządzenia Magnum mogą współpracować z produktami innych firm kompatybilnymi z EnOcean. Umożliwia to uzyskanie łączności z Internetem przy pomocy gotowych modularnych urządzeń, takich jak brama eBox. Produkty Magnum mogą również komunikować się ze sterownikami oświetlenia LED za pośrednictwem takich interfejsów przeznaczonych dla oświetlenia, jak 0-10V lub DALI. Należą do nich również nowe sterowniki współpracujące z czujnikami opracowane przez Philips i Osram.

Modularna implementacja pozwala dostawcom OEM zachować swobodę w zastąpieniu technologii sieciowej wykorzystywanej w ich projektach. Tworząc platformę, która wykorzystuje moduły i gotowe bramy, dostawcy OEM są w stanie spełnić wymagania różnych projektów skierowanych do różnych klientów i nie być zależnymi od jednej technologii komunikacji dla inteligentnych systemów oświetlenia.

Pomoc dostawców z ugruntowaną pozycją na świecie, takich jak Future Electronic Solutions, może być pomocna dla dostawców OEM na etapie projektowania. Jest to rozwiązanie bardzo wygodne dla dowolnego drobnego lub średniej wielkości producenta oświetlenia, który chciałby w obecnym czasie zrealizować projekt inteligentnej platformy oświetleniowej, jak również zachować możliwość odpowiedzi na przyszłe gwałtowne zmiany w technologii IoT.

Fot. 5. Stara lampa uliczna w Hincesti w Mołdawii, która wykorzystuje nowy kontroler LoRaWAN firmy Flashnet podłączony do publicznej sieci LoRa. (źródło: Flashnet)

O autorze

inżynier aplikacyjny Future Light Solutions