La iluminación para el hogar se enlaza con la Internet de los objetos

Por Bill Schweber

Colaboración de Hearst Electronic Products

El control inteligente de la iluminación doméstica como parte de la automatización del hogar y la casa inteligente ha sido un sueño y una realidad difícil de alcanzar por más de 50 años. Esto se inició con el uso de la serie BSR X10 de controladores alrededor del año 1975. Gracias a los increíbles avances en las tecnologías de control y conectividad de baja potencia y bajo costo y la disponibilidad de interfaces de redes y administración habilitadas para el acceso vía web, las aplicaciones se vuelven más realistas, flexibles y rentables. Aunque se empieza con un control básico de casa inteligente, la siguiente etapa evidente es implementar el control remoto a través de Internet y un teléfono inteligente o una PC, ya que es compatible con las perspectivas técnicas y el impulso de la Internet de los objetos (IoT).

La buena noticia es que la tecnología para brindar la solución de "iluminación para el hogar junto con IoT" está disponible; no obstante, también existen muchas preguntas acerca de la implementación. Además, se presenta un giro interesante: la falta de suficiente y conveniente fuente de alimentación para el funcionamiento es una consideración prioritaria para muchas otras instalaciones de IoT como el monitoreo remoto. Sin embargo, esto no es una preocupación en absoluto, ya que las luces de los hogares y oficinas están conectadas a una línea de alimentación de CA.

Por otro lado, existen muchas opciones posibles en el sitio para la conectividad y el acceso necesario a la red, y cada uno tiene ventajas y desventajas. Además, dada la gran cantidad de nodos de control de iluminación necesarios en un hogar típico, el costo por nodo es un problema importante de IoT. Finalmente, si también se implementa el acceso remoto a través de Internet, existen problemas de seguridad que se deben abordar en múltiples niveles del protocolo de red, hasta el hardware de la capa física.

Opciones inalámbricas y con cable

En un sistema inteligente de iluminación del hogar, cada equipo de iluminación (llamado comercialmente luminaria) interactúa con un controlador central a través de un enlace inalámbrico o con cable, el cual está informado sobre el estado de encendido/apagado/atenuación del equipo y puede controlar estos parámetros. En un hogar típico, pueden existir docenas de dichos nudos de luminarias para ser monitoreados y controlados; en una oficina, puede haber mucho más. Por lo tanto, la alternativa seleccionada para la interfaz física es la primera y más crucial, ya que todas las otras capas del modelo de interconexión se desarrollan a partir de esa decisión. Aunque proporcionar un control de iluminación para el hogar, inteligente, con una red fácil de usar, parece algo necesario y fácil de implementar, en verdad no es así, especialmente cuando se consideran los factores de costo y compatibilidad en la decisión.

Las opciones incluyen el uso de línea de CA, un enlace con cable dedicado o enlaces inalámbricos. La opción evidente para la interconexión de red a cada luminaria es usar la línea de alimentación ya conectada; esto se ha utilizado con resultados diferentes (de nuevo, consulte BSR X10). Aunque la línea de alimentación es un medio de comunicación difícil debido a ruidos, interferencias, transientes, caídas de tensión y otros problemas, la velocidad de transmisión de datos requerida es muy baja; de ese modo, la modesta latencia y retransmisión en caso de error es aceptable. Sin embargo, la línea de CA también puede ser muy errática en rendimiento e incluso puede ser frustrante en una instalación para el hogar. También, la interconexión entre la línea de CA como fuente de alimentación y la línea de CA como medio de red, necesitarán algún tipo de aislamiento entre las señales de energía y datos, lo que añadirá costo y volumen.

Otra opción es utilizar un enlace con cable dedicado, separado, para conectar todos los nodos. Puede ser eficaz y de bajo costo para las nuevas instalaciones pero tiene un alto costo de adaptación. Es atractivo ya que el hardware en cada nodo también será de bajo costo y no habrá ningún problema de degradación del rendimiento debido a la interferencia inalámbrica de los otros usuarios de la banda elegida.

Una tercera alternativa es un enlace inalámbrico, basado en RF, que ha sido el área de mayor actividad y confusión de los proveedores en los últimos años. Entre las alternativas están los enlaces propietarios, enlaces Wi-Fi (IEEE 802.11), enlaces compatibles ZigBee (IEEE 802.15.4) y enlaces derivados de ZigBee y otros más. Esta diversidad pone en relieve uno de los mayores problemas del control de iluminación inteligente para el hogar: las implementaciones incompatibles que comienzan en la capa física y suben por la pila de capas. Los problemas de interoperabilidad e incompatibilidad, combinados con enfoques más antiguos o heredados, son algunas consideraciones que los diseñadores deben tomar en cuenta.

Ofertas de los proveedores muestran las bases

Los proveedores de CI y diseño de nodos adecuados saben que cumplir con los requisitos del hardware físico interconectado y la conectividad constituye un gran mercado potencial. Algunos proveedores admiten el estándar Digital Addressable Lighting Interface (DALI), IEC62386, heredado, dirigido al hogar, a la oficina y a aplicaciones profesionales (por ejemplo: iluminación de teatro). Este estándar utiliza un solo par de cables de bajo voltaje para conectarse a 64 dispositivos como máximo (a través de direccionamiento de 6 bit), incluidos los focos incandescentes, lámparas fluorescentes y sus balastos, e incluso los LED, todo en un solo circuito llamado grupo de red. Para conectar nodos de dispositivo adicional de rendimiento superior a 64, DALI admite hasta 16 grupos que se pueden enlazar juntos. La cadena tipo margarita, la topología estrella y las configuraciones de caída múltiple están permitidas y pueden ser mixtas (Figura 1).

Imagen de la red con cable DALI

Figura 1: La red con cable DALI utiliza una interconexión simple con dos cables y puede configurarse con una o más topologías, cadena tipo margarita, estrella, y enfoques de caída múltiple (cortesía de Microchip Technology).

El estándar DALI utiliza la codificación Manchester en la transmisión 1200 (lenta pero suficiente para la aplicación) y funciona desde una alimentación de 16 V/250 mA. Esto permite el monitoreo, el control, la atenuación y las funciones de "grupo" (donde un grupo predefinido de luminarias recibe simultáneamente la misma directiva), con 300 metros de alcance como máximo. El cableado usa cable de iluminación sólido o trenzado n.° 18 CAE (AWG) que puede utilizarse debido a la baja velocidad de datos, junto con conectores de terminal de tornillo de bajo costo.

Por ejemplo, Microchip usa un microcontrolador de baja energía PIC16F1947 en su placa controladora de evaluación DV160214-1 DALI. El diseño incluye aislamiento galvánico basado en optoacoplador entre el bus DALI y el microcontrolador, un prerrequisito para la seguridad del usuario y el funcionamiento confiable de los productos electrónicos (Figura 2).

Imagen de la placa de evaluación/demostración del Microchip para la interfaz DALI


Figura 2: La placa de evaluación/demostración del Microchip para la interfaz DALI y la administración de iluminación incluye interfaz, energía para el funcionamiento y funciones de sensor y control, así como aislamiento galvánico entre la línea de energía y la unidad.

Por sí mismos, un sistema de control de iluminación basado en DALI no puede conectarse directamente a un punto de acceso de Internet para proporcionar conectividad IoT. Sin embargo, el nodo controlador DALI puede utilizarse como una puerta de enlace para una interfaz compatible con Internet y, de ese modo, cumplir con los requisitos de la capa 1 (PHY) y la capa 2 (MAC) de interconexión de red.

Para los diseñadores que prefieren una solución inalámbrica compatible con ZigBee, Texas Instruments ofrece un sistema de referencia de puerta de enlace de iluminación residencial (Figura 3), específicamente para aplicaciones IoT. El diseño de referencia utiliza el kit de desarrollo CC2531EMK dev kit, una placa, y usa una tarjeta de licencia USB basada en CC2531 ZigBee SimpleLink (Figura 4) que ejecuta el Z-stack, que es una implementación de "unidad dorada" certificada de un puente ZigBee para aplicaciones de iluminación.

Imagen del sistema de referencia de puerta de enlace de iluminación residencial de Texas Instruments


Figura 3: El sistema de referencia de puerta de enlace de iluminación residencial de Texas Instruments es un sistema completo de hardware, software y desarrollo, con esquemas detallados y documentación de desarrollo, que incluye soporte para MAC y capas PHY, y para capas más altas del modelo de interconexión.

Imagen de tarjeta de licencia USB de Texas Instruments


Figura 4: Para el sistema TI, una tarjeta de licencia USB es la clave para el nodo de interconexión ZigBee de bajo costo y la herramienta de desarrollo objetivo.


El TI CC2531 CI que proporciona el control PHY y la conectividad es un SoC (sistema en chip) habilitado con USB que admite estándares ZigBee y RF4CE y proporciona dos funciones importantes. Combina un transceptor RF con un MCU 8051 mejorado de estándar de la industria, memoria Flash programable incorporada en el sistema, memoria RAM de 8 KB y muchas otras características. También ofrece muy baja disipación ayudada por los tiempos de transición breves entre los modos operativos que aseguran cantidades bajas de consumo de energía . (Aunque sin duda la fuente de alimentación de funcionamiento está disponible, es importante mantener la disipación baja ya que la caja de interruptores de salida en sí es pequeña y suele tener pobre flujo de calor).

Además, el diseño de referencia tiene una red basada en Linux y aplicaciones GUI para controlar y monitorear los nodos de iluminación ZigBee (Figura 5). El kit completo incluye hardware, más un API simple (interfaz de programación de aplicación) para el control de iluminación que incorpora un puente TCP/IP a ZigBee, que es necesario para el desarrollo de aplicaciones así como para la integración de soluciones de conectividad. Viene también con ejemplos de software para control local y remoto de los nodos ZigBee, incluido el uso de sistemas basados en Android como teléfonos, tabletas y decodificadores de TV.

Imagen del esquema de software del sistema TI


Figura 5: El esquema del software del sistema TI muestra el soporte amplio y completo que indica la complejidad de un sistema completo de control de iluminación y muchas opciones que OEM puede incluir.

Debido a la enorme oportunidad de mercado, casi todos los proveedores con señal mixta, energía y experiencia en conexión inalámbrica y con cable abordan esta aplicación por lo menos desde una perspectiva. Los diseñadores en OEM deben tener en cuenta no solo los componentes disponibles sino también el soporte de las aplicaciones en las capas básicas PHY/MAC, así como el software de aplicaciones de bajo nivel, interfaces de desarrollo básico y desarrollo de aplicaciones de más alto nivel y herramientas de depuración, placas de evaluación, además de las aprobaciones reglamentarias y de seguridad necesarias ya que estas instalaciones suponen la alimentación de CA de voltaje de línea.

En resumen

El sueño, desde hace mucho tiempo, de una casa automatizada se está volviendo realidad a través de la tecnología asociada con la Internet de los objetos (IoT). Un lugar obvio para comenzar es la iluminación del hogar inteligente, a través del monitoreo y control de los muchos equipos (luminarias) que usan fluorescentes incandescentes y fuentes de iluminación basados en LED. Este artículo ha examinado algunas de las maneras de lograr el control inalámbrico y con cable, y la conectividad IoT, así como los problemas técnicos que son desafíos y quizás impedimentos, tales como las instalaciones nuevas frente a las adaptadas, los estándares de la industria, los problemas de interoperabilidad y los costos.

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