Hausbeleuchtung und die Verbindung zum Internet der Dinge

Von Bill Schweber

Zur Verfügung gestellt von Electronic Products

Die intelligente Steuerung der Haushaltsbeleuchtung als Teil der Heimautomatisierung und das intelligente Haus sind ein Traum und seit mehr als 50 Jahren sogar eine seltsame Realität, beginnend mit der Nutzung der Controller-Serie BSR X10 um 1975. Durch großartige Fortschritte bei den energiesparenden und kostengünstigen Steuerungs- und Verbindungstechnologien und die Verfügbarkeit von Web-fähigen Netzwerk- und Managementschnittstellen, wird es zu einer immer realistischeren, flexibleren und kosteneffektiveren Anwendung. Obwohl alles mit einer grundlegenden Steuerung des intelligenten Hauses beginnt, ist der offensichtliche nächste Schritt die Umsetzung einer Fernsteuerung über das Internet durch das Smartphone oder den PC, da dies eine natürliche Implementierung in die technischen Perspektiven und die Dynamik des Internet der Dinge (IoT) darstellt.

Die gute Nachricht ist, dass die Technologie für die Verbindung der Hausbeleuchtung mit dem IoT prinzipiell verfügbar ist, aber es gibt natürlich viele Fragen bezüglich der praktischen Umsetzung. Außerdem gibt ist einen weiteren interessante Aspekt: für viele andere IoT-Installationen, wie zum Beispiel die Fernüberwachung, ist die Berücksichtigung des Mangels einer geeigneten und ausreichenden Betriebsstromquelle eine Priorität. Allerdings ist das hier überhaupt kein Problem, da Haus- und Büroleuchten offensichtlich an das Wechselstromnetz angeschlossen sind.

Auf der anderen Seite gibt es viele Möglichkeiten für die Netzwerkverbindung und den benötigten Zugriff und jede hat ihre Vor- und Nachteile. Weiterhin, angesichts der großen Anzahl von Lichtsteuerknoten, die in einem typischen Haus benötigt werden, sind die Kosten pro Knoten im IoT von großem Interesse. Schließlich, wenn der Fernzugriff über das Internet ebenfalls implementiert ist, müssen Sicherheitsaspekte von den verschiedenen Ebenen des Netzwerkprotokolls bis hinunter zur Hardware der physikalischen Schicht adressiert werden.

Drahtgebundene und Wireless-Optionen

Im Beleuchtungssystem eines intelligenten Gebäudes wäre jeder Beleuchtungskörper (im Handel Leuchte genannt) über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung mit einer zentralen Steuerung verbunden, die Ein/Aus- und Dimmstatus des Beleuchtungskörpers kennt und diese Parameter auch ändern kann. In einem typischen Haus könnte es Dutzende solcher Leuchtenknoten geben, die überwacht und gesteuert werden müssen und in einem Büro können es noch wesentlich mehr sein. Daher ist die Wahl der physikalischen Schnittstelle die erste und wichtigste, da alle anderen Schichten des Verbindungsmodells auf diese Entscheidung aufbauen. Die Bereitstellung intelligenter, netzwerkfreundlicher Steuerungen für die Hausbeleuchtung scheint sowohl eine offensichtliches Unterfangen als auch einfach zu implementieren zu sein, doch das ist es nicht, vor allem, wenn Faktoren wie Kosten und Kompatibilität in die Entscheidung einbezogen werden.

Zur Auswahl stehen die Nutzung der Netzleitung, einer dedizierten Drahtverbindung oder einer drahtlosen Verbindung. Die offensichtliche Option einer Netzwerkverbindung zu jeder Leuchte ist es, die bereits angeschlosse Stromnetzleitung selbst zu verwenden und dies wurde mit gemischten Ergebnissen bereits getestet (siehe BSR X10). Obwohl die Netzleitung als Kommunikationsmedium auf Grund von Rauschen, Interferenz, Transienten, Spannungsabfällen und vielen anderen Problemen eine Herausforderung darstellt, ist die benötigte Datenrate sehr niedrig und bescheidene Latenzzeiten und wiederholte Übertragung im Falle von Fehlern ist akzeptabel. Allerdings kann die AC-Leitung sehr sprunghaft in ihrer Performance sein und selbst eine Hausinstallation kann frustrierend sein. Auch jede Verbindung zwischen der Wechselstromleitung als Energiequelle und der Wechselstromleitung als Netzwerkmedium erfordert eine Art von Isolierung zwischen Versorgungs- und Datensignalen, wodurch Kosten und Materialaufwand erhöht werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer separaten, dedizierten Drahtverbindung, um alle Knoten zu verbinden. Dies kann kostengünstig und effektiv für neue Anlagen sein, führt aber zu hohen Nachrüstkosten. Es ist attraktiv, da die Hardware in jedem Knoten ebenfalls kostengünstig sein wird und es wird keine Leistungsminderung aufgrund von Funkstörungen durch viele andere Nutzer des gewählten Bandes geben.

Eine drahtlose HF-Verbindung ist die dritte Alternative und war in den letzten Jahren der Bereich der meisten Anbieteraktivität und Verwirrung. Zur Auswahl stehen proprietäre Verbindungen, Wi-Fi-Verbindungen (IEEE 802.11), ZigBee-kompatible (IEEE 802.15.4) Verbindungen und ZigBee-abgeleitete Verbindungen, sowie andere. Diese Vielfalt ist eines der größten Probleme bei der Beleuchtungssteuerung intelligenter Gebäude: inkompatible Implementierungen, die bei der physikalischen Schicht beginnen und sich durch den Schichtenstapel bewegen. Probleme der Interoperabilität und der Inkompatibilität, kombiniert mit einigen älteren und überlieferten Ansätzen gehören zu den Dingen, die die Entwickler berücksichtigen müssen.

Das Angebot der Anbieter deckt die Grundlagen ab

Anbieter von geeigneten ICs und Knotendesigns wissen, dass die Erfüllung der Anforderungen für die physisch verbundene Hardware und die Konnektivität ein riesiges Marktpotenzial darstellt. Einige Anbieter unterstützen den älteren DALI-Standard IEC62386 (DALI: Digital Addressable Lighting Interface) für Haus-, Büro- und professionelle Anwendungen (zum Beispiel Theaterbeleuchtung). Dieser Standard verwendet ein einziges Paar von Niederspannungsleitungen zum Anschluss von bis zu 64 Geräten (über 6-Bit-Adressierung) einschließlich Glühlampen, Leuchtstofflampen und ihre Vorschaltgeräte und sogar LEDs, die sich alle in einer einzigen Schleife befinden, der sogenannten Netzwerkgruppe. Zum Anschluss von weiteren Geräteknoten über die maximal 64 hinaus, unterstützt DALI bis zu 16 Gruppen, die miteinander verknüpft werden können. Daisy-Chaining, Stern-Topologie und Multi-Drop-Konfigurationen sind alle erlaubt und diese Topologien können gemischt werden (Abbildung 1).

Bild des drahtgebundenen DALI-Netzwerks

Abbildung 1: Das drahtgebundene DALI-Netzwerk verwendet eine einfache Zweidrahtverbindung und kann mit einer oder mehreren Topologien durch mischen von Daisy-Chain-, Stern- und Multi-Drop-Ansätzen konfiguriert werden (mit freundlicher Genehmigung von Microchip Technology).

Der DALI-Standard verwendet eine Manchester-Codierung mit 1200 Baud (langsam, aber ausreichend für die Anwendung) und arbeitet mit einer 16 V / 250 mA Versorgung. Er ermöglicht Überwachung, Steuerung, Dimmen und "Gruppen"-Funktionen (bei denen zu einem Cluster zusammengefasste Leuchten gleichzeitig die gleichen Richtlinie erhalten) mit bis zu 300 Meter Reichweite. Die Verkabelung wird über gewöhnlichen starren oder flexiblen 18 AWG Beleuchtungsdraht vorgenommen, der aufgrund der niedrigen Datenraten zusammen mit kostengünstigen Schraubklemmen verwendet werden kann.

Zum Beispiel verwendet Microchip einen energiesparenden PIC16F1947-Mikrocontroller in seiner Evaluierungskarte DV160214-1 DALI. Das Design beinhaltet eine Optokoppler-basierte galvanische Trennung zwischen dem DALI-Bus und dem Mikrocontroller, eine Voraussetzung sowohl für die Sicherheit des Anwenders als auch dem zuverlässigen Betrieb der Elektronik (Abbildung 2).

Bild der Demo-/Evaluierungskarte für DALI von Microchip


Abbildung 2: Die Demo-/Evaluierungskarte von Microchip für DALI- und Beleuchtungsmanagement umfasst Schnittstelle, Betriebsversorgung und Mess- und Kontrollfunktionen sowie eine galvanische Trennung zwischen der Netzleitung und dem Gerät.

Alleine kann ein DALI-basiertes Lichtsteuersystem nicht direkt mit einem Internet-Zugangspunkt verbunden werden, um IoT-Konnektivität anzubieten. Jedoch kann der DALI-Controllerknoten als Gateway zu einer Internet-kompatiblen Schnittstelle verwendet werden und so den Anforderungen der Netzwerkverbindungsschichten 1 (PHY) und 2 (MAC) entsprechen.

Für Entwickler, die eine drahtlose ZigBee-kompatible Lösung bevorzugen, bietet Texas Instruments ein Wohnbeleuchtungs-Gateway-Referenzsystem (Abbildung 3) speziell für IoT-Anwendungen. Das Referenzdesign nutzt die Entwicklungsplatine CC2531EMK und verwendet ein SimpleLink-ZigBee-CC2531-basiertes USB-Dongle (Abbildung 4), welches Z-Stack ausführt, eine zertifizierte "Goldene Einheit"-Implementierung einer ZigBee-Brücke für Beleuchtungsanwendungen.

Bild des Wohnbeleuchtungs-Gateway-Referenzsystems von Texas Instruments


Abbildung 3: Das Wohnraumbeleuchtungs-Gateway-Referenzsystem von Texas Instruments ist ein komplettes Hardware-, Software- und Entwicklungssystem mit detaillierten Schaltplänen und Entwicklungsdokumentation, einschließlich der Unterstützung für MAC- und PHY-Schichten und für die höheren Schichten des Verbindungsmodells.

Bild des USB-basierten Dongles von Texas Instruments


Abbildung 4: Für das TI-System ist ein USB-basiertes Dongle der Schlüssel zu einem kostengünstigen ZigBee-Verbindungsknoten und Zielentwicklungswerkzeug.


Der TI-CC2531-IC, der die PHY-Steuerung und Konnektivität bietet, ist ein USB-fähiges SoC (System-on-Chip), das ZigBee- und RF4CE-Standards unterstützt und zwei wichtige Funktionen zur Verfügung stellt. Es kombiniert einen HF-Transceiver sowie eine verbesserte, dem Industriestandard entsprechende 8051-MCU, In-System-programmierbaren Flash-Speicher, 8 KB RAM und viele andere Funktionen. Es bietet außerdem durch kurze Übergangszeiten zwischen den Betriebsarten sehr geringe Verluste, um den Energieverbrauch weiter zu verringern. (Auch wenn Betriebsleistung vorhanden ist, ist es wichtig, die Verluste gering zu halten, da die Steckdosen-Schaltbox selbst klein ist und oft einen schlechten Wärmefluss aufweist.)

Darüber hinaus enthält das Referenzdesign Linux-basierte Netzwerk- und GUI-Anwendungen zur Steuerung und Überwachung der ZigBee-Beleuchtungsknoten (Abbildung 5). Das komplette Kit enthält die Hardware und eine einfache API (Application Programming Interface) für die Lichtsteuerung, die eine TCP/IP-ZigBee-Brücke beinhaltet, die für die Entwicklung von Anwendungen sowie für die Integration von Konnektivitätslösungen benötigt wird. Es kommt außerdem mit Software-Beispielen für lokale und Fernsteuerung von ZigBee-Knoten, einschließlich der Verwendung von Android-basierten Systemen wie Handys, Tablets und Set-Top-Boxen.

Schematische Darstellung der TI-Systemsoftware


Abbildung 5: Die schematische Darstellung der Software des TI-Systems zeigt die Tiefe und Breite der Unterstützung, die die Komplexität eines kompletten Beleuchtungskontrollsystems aufzeigt und die vielen Optionen, die OEMs eventuell integrieren möchten.

Wegen der riesigen Marktchancen adressieren fast alle Anbieter mit Expertise in Mischsignal-, Energieversorgungs- und drahtgebundener bzw. Wireless-Konnektivität diese Anwendung aus mindestens einer Perspektive. Entwickler bei OEMs müssen nicht nur die verfügbaren Komponenten berücksichtigen, sondern auch die Anwendungsunterstützung auf den grundlegenden PHY/MAC-Schichten, die Low-Level-Anwendungssoftware, grundlegenden Entwicklungsschnittstellen und die Anwendungsentwicklung auf höherer Ebene, Debug-Tools und Evaluierungskarten, sowie die erforderlichen Sicherheits- und behördlichen Genehmigungen, da diese Anlagen mit Netzspannung betrieben werden.

Zusammenfassend

Der lang gehegte Traum vom automatisierten Haus wird Realität durch Technologie, die mit dem Internet der Dinge (IoT) assoziiert wird. Ein naheliegender Startpunkt ist die Beleuchtung des intelligenten Hauses durch die Überwachung und Kontrolle der vielen Beleuchtungseinheiten (Leuchten) aus Glühlampen, Leuchtstofflampen und LED-basierten Beleuchtungsquellen. Dieser Artikel hat einige der Möglichkeiten der drahtgebundenen und drahtlosen Steuerung sowie der IoT-Konnektivität besprochen, sowie einige der technischen Probleme, die sich als Herausforderungen und vielleicht sogar als Behinderungen darstellen, wie z.B. neue gegenüber Umbauinstallationen, Industriestandards, Interoperabilität und Kosten.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschrieben Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der DigiKey-Website.

Haftungsausschluss: Die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der verschiedenen Autoren und/oder Forumsteilnehmer dieser Website spiegeln nicht notwendigerweise die Meinungen, Überzeugungen und Standpunkte der DigiKey oder offiziellen Politik der DigiKey wider.

Über den Autor

Image of Bill Schweber

Bill Schweber

Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

Über den Verlag

Electronic Products

Das Magazin "Electronic Products" und "ElectronicProducts.com" dienen Ingenieuren und technischen Führungskräften, die für die Entwicklung elektronischer Geräte und Systeme verantwortlich sind.