Jak technologia sieci typu mesh Bluetooth zapewnia elastyczną, skalowalną i przyszłościową platformę do bezprzewodowego sterowania oświetleniem

Jeśli wierzyć optymistycznym opiniom ekspertów z branży oświetleniowej, długo wyczekiwane marzenie stało się rzeczywistością: mówi się, że istnieje technologia sieciowa do wdrażania zaawansowanego bezprzewodowego sterowania oświetleniem, która jest niedroga, interoperacyjna, łatwa do wdrożenia , skalowalna, elastyczna i przyszłościowa. Ta technologia to sieć typu Bluetooth mesh, której możliwości są dostępne dzięki najnowszej wersji specyfikacji Bluetooth.

Trzeba powiedzieć, że różni dostawcy komponentów i rozwiązań dla przemysłu oświetleniowego w przeszłości wygłaszali śmiałe twierdzenia na temat innych technologii bezprzewodowych, takich jak ZigBee i standard radiowy EnOcean. Ile wiary powinniśmy więc pokładać, że nowa technologia Bluetooth będzie szerzej stosowana w sterowaniu oświetleniem niż wcześniejsze platformy bezprzewodowe i przetrwa dłużej?

Uniwersalna technologia łączenia węzłów bezprzewodowych

W rzeczywistości nowa technologia siatki Bluetooth zasadniczo różni się od jakiegokolwiek bezprzewodowego systemu sieciowego wdrażanego do sterowania oświetleniem. Różnice te mają ogromny wpływ na jej wartość dla dostawców i użytkowników oświetlenia. Sieć kratowa Bluetooth oferuje następujące korzyści:

  • Uniwersalny, niezależny od dostawcy standard. Każdy producent może opracować sprzęt zgodny ze standardami. Każde urządzenie ze standardem Bluetooth będzie współpracować z każdym innym urządzeniem w tym standardzie w sieci mesh.
  • Funkcja łączności bezprzewodowej Bluetooth jest wbudowana w każdy z miliardów używanych obecnie telefonów komórkowych i laptopów. Tak więc urządzenia, które ludzie noszą ze sobą na co dzień, mogą łączyć się i obsługiwać dowolne bezprzewodowe sterowanie oświetleniem oparte na Bluetooth.
  • Niezawodność i bezpieczeństwo: sieć typu mesh zapewnia wiele ścieżek przesyłania wiadomości. W przeciwieństwie do konwencjonalnej topologii sieci opartej na centralnym kontrolerze lub bramce, pojedynczy uszkodzony węzeł nie powoduje wyłączenia całej sieci. W protokół wbudowane są silne zabezpieczenia.
  • Skalowalność: zasięg konwencjonalnej sieci opartej na centralnym sterowniku jest ograniczony zasięgiem transmisji sterownika. Zasięg sieci kratowej Bluetooth, w której każdy węzeł działa jako wzmacniacz lub mostek do następnego najbliższego węzła, można stale rozszerzać, dodając nowe węzły w zasięgu dowolnego istniejącego węzła. Maksymalna odległość między dowolnymi dwoma węzłami wynosi zwykle do 25 m wewnątrz budynku. Użytkownicy nie są przywiązani do korzystania z oświetlenia i urządzeń od jednego dostawcy, a wszelkie urządzenia ze standardem Bluetooth pochodzące od dowolnego producenta mogą zostać dodane do istniejącej sieci.
  • Łatwość wdrożenia: węzły w sieci typu mesh Bluetooth mogą zostać wykryte i skonfigurowane na miejscu zgodnie z wcześniej ustalonym schematem przez dowolny smartfon lub laptop z obsługą Bluetooth.
  • Przyszłościowość: Bluetooth to otwarty standard, który zachowuje kompatybilność wsteczną, co zapewnia ochronę inwestycji użytkowników w urządzenia sieciowe.

Skalowalność, elastyczność, niezawodność, przyszłościowość: te atrybuty technologii Bluetooth mesh są cechami wymaganymi przez przemysł oświetleniowy, których wcześniejsze technologie sieci bezprzewodowych nie były w stanie w pełni zapewnić. Ale czy można dziś zyskać na wdrożeniu tej technologii w produkcji sprzętu oświetleniowego?

Elementy bezprzewodowego systemu sterowania oświetleniem

Bezprzewodowa sieć sterowania oświetleniem oparta na technologii Bluetooth składa się z osprzętu, oprogramowania, elementów sterowania i konfiguracji, tak jak to pokazano na rysunku 1.

Rys. 1. Elementy bezprzewodowego systemu sterowania oświetleniem w oparciu o Bluetooth

Osprzętem są węzły końcowe, ponieważ w technologii Bluetooth nie jest wymagany centralny kontroler ani bramka. Każda oprawa oświetleniowa, czujnik i aktuator (np. ściemniacz) ma swój własny układ SoC Bluetooth, który zawiera radio Bluetooth Low Energy 2,4 GHz i rdzeń mikrokontrolera obsługujący protokoły sieci Bluetooth oraz oprogramowanie układowe aplikacji. Radio Bluetooth może być osadzone tylko w jednym z elementów oprawy oświetleniowej. Na przykład w oprawie, która zawiera czujnik wykrywania obecności, sterownik LED i silnik światła LED, radio Bluetooth może znajdować się w jednym z nich, a sygnały sterujące Bluetooth odbierane przez ten komponent mogą być przekazywane do innych komponentów oprawy poprzez połączenia przewodowe.

Obecnie funkcję Bluetooth może zapewnić moduł czujnika Murata, taki jak seria LBCC2ZZ1. Ten niewielki czujnik, który można wkręcić w obudowę oprawy, łączy czujniki obecności i światła dziennego sterowane napięciem od 0 do 10 V lub dwuprzewodowym interfejsem DALI, a także radio Bluetooth. Urządzenie obsługuje protokoły sieci Bluetooth zatwierdzone przez Silvair i jest w pełni kompatybilne z każdym innym kwalifikującym się węzłem sieci Bluetooth.

Jako sterownik oprawy oświetleniowej można również zastosować sterowniki LED serii CNB30/40/50 opracowane przez ERP Power. One również zapewniają funkcję komunikacji Bluetooth. Producent oprawy może również dodać funkcję Bluetooth do kontrolera LED stosując moduł BMD-300 lub BMD-301 firmy u-blox (wcześniej Rigado). Ponieważ produkt u-blox jest kompletnym modułem radiowym, jego integracja z kontrolerem oświetlenia nie wymaga od projektanta specjalistycznej wiedzy ani skomplikowanego projektu i certyfikacji.

W przypadku kontrolerów urządzeń i węzłów z czujnikami ruchu i światła dziennego, również dostępne są moduły Bluetooth produkowane przez firmy takie jak Magnum Innovations lub McWong. Wkrótce tego typu moduły będą dostępne w ofercie także u najlepszych dostawców komponentów oświetleniowych.

Tego typu węzły Bluetooth mesh zapewniają możliwość komunikacji bezprzewodowej. Format i zarządzanie przenoszonymi przez nie wiadomościami zależy od oprogramowania wewnętrznego protokołu.

Specyfikacje wszystkich oficjalnych technologii sieciowych Bluetooth, w tym sieci Bluetooth mesh, są określone przez organizację Bluetooth Special Interest Group (SIG) (www.bluetooth.com). SIG składa się z firm członkowskich z wielu branż. Proces ustanawiania standardów, który wymaga współpracy między wieloma niezależnymi podmiotami, oczywiście wymaga czasu. Podczas gdy specyfikacje sieci Bluetooth były w fazie rozwoju, różne firmy wydały własne oprogramowanie sprzętowe sieci Bluetooth. Spośród nich najbardziej znaną marką jest Casambi.

Dostawcy opatentowanych protokołów sieci Bluetooth korzystają z elastyczności, umożliwiającej ulepszenie funkcji produktu tak szybko, jak to konieczne bez poświęcania czasu na uzyskanie zgody stron trzecich. Tym noiemniej ich produkty mają jedną poważną wadę: ograniczoną interoperacyjność. Sieć kratowa Casambi działa tylko z urządzeniami, na których działa oprogramowanie Casambi, a te stanowią znacznie mniejszą pulę produktów na rynku urządzeń ze standardem Bluetooth.

Na szczęście, czas oczekiwania na przemysłowy standard sieci Bluetooth dobiegł końca. Co więcej, certyfikowane oprogramowanie dedykowane sieci Bluetooth jest dostępne również u dostawców, w tym polsko-kalifornijskiej firmy Silvair, członka komitetu SIG ustanawiającego standardy sieci Bluetooth.

Oprogramowanie dla sieci Bluetooth dostarczane przez Silvair jest skonfigurowane do użytku w bezprzewodowych sieciach sterowania oświetleniem. Oznacza to, że oprócz obsługi kluczowej funkcji sieci zapewnia także „modele” sterowania oświetleniem w standardzie Bluetooth. Modele Bluetooth to zestawy wiadomości, które można wykorzystać w określonych rodzajach zastosowań. Przykłady obejmują komunikaty włączania/wyłączania światła, komunikaty o stanie wskazującym obecność i komunikaty dotyczące czasu przejścia.

Silvair zapewnia również kompletny zestaw narzędzi do konfiguracji instalacji oświetleniowej. Obejmują one:

  • Narzędzie do załadowania oprogramowania na układ SoC,
  • Zestaw narzędzi uruchomieniowych i aplikacja służące za pomocą smartfona lub laptopa do konfiguracji sieci w celu wykrycia i uruchomienia podłączonych urządzeń,
  • Oprogramowanie w chmurze do zdalnego monitorowania i sterowania instalacją za pomocą przeglądarki. (Zdalne monitorowanie wymaga dodania bramki dostępowej Bluetooth, co nie ma wpływu na konfigurację sieci, a istnieje tylko w celu zapewnienia interfejsu dla świata zewnętrznego).

Tak więc oprogramowanie umożliwia węzłom końcowym (oprawom oświetleniowym, czujnikom i aktuatorom) komunikowanie się ze sobą, łączenie się z innymi elementami systemu oświetleniowego, takimi jak sterowniki LED, oraz tworzenie sieci kratowej.

Jak sieć powstaje w praktyce?

Ten aspekt wdrażania systemu w przeszłości przysparzał instalatorom najwięcej problemów. Na przykład, podczas uruchamiania sieci DALI elementy sieci przewodowej wymagają logicznego schematu adresu. Pojedynczy błąd w okablowaniu lub programowaniu adresów spowoduje zatrzymanie pracy systemu sterowania. To samo dotyczy prawie wszystkich technologii sieci przewodowych i bezprzewodowych, które wykorzystują dowolną formę adresowania.

Technologia sieci Bluetooth eliminuje ten problem. Dzieje się tak, ponieważ jest to sieć zorientowana na informacje. Węzły nie adresują siebie nawzajem: sieć bazuje na modelu publikujący-subskrybent (patrz rysunek 2). Węzeł może publikować informacje: na przykład, panel sterowania użytkownika może publikować zdarzenie naciśnięcia przycisku w określonej strefie. W prawdziwym życiu może się to zdarzyć, gdy użytkownik chce zwiększyć jasność oświetlenia w sali konferencyjnej. Węzły, które subskrybują tę kategorię informacji, będą wówczas reagować na treść wiadomości. Dla przykładu, sterownik LED ERP Power Bluetooth w oprawie oświetleniowej na tej sali zwiększy prąd do silnika światła LED.

Zasada publikowania/subskrybowania  w sieci radykalnie zmienia proces użytkowania. Aby skonfigurować węzeł, instalator musi jedynie określić typy komunikatów sieciowych, które mają być subskrybowane.

Rys. 2. Sieć kratowa Bluetooth działa na modelu publikujący/subskrybent. (Źródło grafiki: www.bluetooth.com)

W przypadku zmiany sieci, wymiany wadliwego węzła lub też dodania czujnika lub aktuatora istniejące węzły nie wymagają ponownej konfiguracji. Wszystkie kwalifikujące się komponenty sieci Bluetooth od dowolnego dostawcy można skonfigurować i uruchomić przy użyciu tego samego, niezależnego od dostawcy, narzędzia takiego jak aplikacja Silvair Commissioning.

Narzędzia do uruchamiania umożliwiają także monitorowanie online wstępnie zaplanowanego schematu oświetlenia, aby zapewnić bezbłędną instalację dokonywaną przez wielu wykonawców w jednym miejscu.

Technologia sterowania oświetleniem przyszłości dostępna już dziś

Jak opisano powyżej, różne urządzenia sprzętowe z obsługą Bluetooth są dostępne do kupienia za pośrednictwem dystrybutora, takiego jak Future Lighting Solutions. Dostępne jest także oprogramowanie sprzętowe firmy Silvair do produkcji sieci z protokołem Bluetooth, a także w pełni funkcjonalne narzędzie do uruchamiania osprzętu.

Producenci sprzętu oświetleniowego i dostawcy systemów mogą teraz realizować pełnoprawne projekty bezprzewodowego sterowania oświetleniem za pośrednictwem sieci typu Bluetooth mesh. W wielu przypadkach rozwój systemu może być przyspieszony dzięki zastosowaniu referencyjnej platformy projektowej, takiej jak zestaw demonstracyjny z siecią Bluetooth firmy Future Lighting Solutions (patrz: rysunek 3), która jest wspierana przez ekspertów firmy zajmujących się aplikacjami.

Chociaż popularność wcześniejszych technologii bezprzewodowego sterowania oświetleniem mogła osłabnąć z różnych powodów, perspektywa przyjęcia się w branży technologii sieci Bluetooth mesh wygląda obiecująco.

Rys. 3. Zestaw demonstracyjny siatki Bluetooth firmy Future Lighting Solutions daje producentom OEM model do wdrożenia bezprzewodowej technologii sterowania. (Źródło zdjęcia: Future Electronics)

O autorze

Dyrektor techniczny na region EMEA, Future Lighting Solutions