Řízení osvětlení přes ZigBee: proč a jak

Mesh sítě, postavené na standardu ZigBee, umožňují společné řízení stovek svítidel ve skladových a továrních halách. Nepotřebují pro to robustní cloudové řešení ani další bezdrátové sítě.

Pokud se v oboru elektroniky setkáme s pojmem řízení osvětlení, zpravidla se vyskytuje ve dvou souvislostech: řízení LED zdrojů světla nebo internet věcí. Mimo obor automobilového průmyslu platí většinou obojí – řízení LED světel přes IoT.

Za vším hledej LED a úsporu
Ano, i LED dioda je ženského rodu, takže titulek je více než na místě. Potřeba řízení LED zdrojů světla vychází z jednoduchého zadání: Co nejlépe napodobit klasickou žárovku nebo denní světlo. Ani slunce, ani rozžhavené vlákno totiž netrpí tolika typy nestability barev, frekvence a dalších charakteristik jako LED. Na většinu těchto bolestí je ale IoT v podání bezdrátových sítí krátký. Vysílání informací bez garantovaného doručení a poměrně dlouhá odezva neumožňují reagovat potřebnou rychlostí.

Řízení osvětlení přes IoT tak zůstává primárně jedna funkce. Regulace intenzity osvětlení podle okolních podmínek – spínání a stmívání. Typickými aplikacemi jsou veřejné osvětlení, osvětlení dopravní infrastruktury (tunely, stanice metra, parkovací domy atd.) a průmyslových hal. Ve všech případech umělé světlo pokrývá velké plochy, rozhoduje o bezpečnosti a spolyká megawatthodiny elektřiny denně. Úspora v řádu 10-20 % je proto významným argumentem pro řízení osvětlení v závislosti na okolních podmínkách.

Dobře to dokumentuje příklad skladových či továrních hal. Obdélníkové budovy s půdorysem obdélníku o stranách v řádu stovek metrů, střechy s několika světlíky a stěny bez oken předpokládají umělé osvětlení po celou dobu provozu, nezřídka 24 hodin denně, 365 dní v roce. Počty svítidel v jedné hale dosahují stovek až jednotek tisíc. Svítidla přitom mají pravidelný rozestup, aby pokrývaly podlahovou plochu rovnoměrně, což je ideální pro řízení prostřednictvím Mesh sítě. Každé svítidlo představuje vysílač a přijímač, schopný přijmout a odesílat data, určená přímo jemu i kterémukoli dalšímu bodu sítě. V hale tak díky svítidlům vzniká pravidelná síť vysílačů, která má velká potenciál i pro další aplikace, například sledování pohybu zboží, viz článek ZigBee a Bluetooth LE – silná kombinace pro chytré domy i průmysl.

Tisíc světel – běžná porce
Na všechny uvedené segmenty, včetně továrních hal se soustředí řada firem po celém světě. ZigBee používají například twistHDM nebo Twisthink z USA, český Datmolux využívá platformu IQRF. Americká firma Twisthink firma odkryla svoje know how v případové studii a testovacím pilotu pro Silicon Labs, na jejíchž čipech a software postavila svoje řešení Kanepi.

Systém Kanepi byl vyvinut pro typické aplikace hal pro skladování nebo výrobu. Svítidla na stropech hal mají víceméně pravidelné rozestupy v závislosti na typu provozu a jejich topologie je dána především elektrickým zapojením, tedy sdružením vypínačů, stykačů a jističů. Bezdrátové řízení umožňuje řídit intenzitu osvětlení jednotlivých svítidel bez ohledu na tuto topologii na základě dat ze senzorů denního světla. To samozřejmě eliminuje složitost silových rozvodů ovládání a spínání. Každé svítidlo je proto osazeno jednotkou ZigBee a data jsou odesílána do centrálního koncentrátoru. O řízení systému se nestará masivní cloudové řešení, ale jednodeskový počítač v malém šasi EPIC(Embedded Platform for Industrial Computing), běžící na embedded Linuxu. Manuální ovládání světel zajišťují aplikace na dotykových obrazovkách nebo jednoduché bezdrátové nody, které posílají příkazy do řídícího počítače.

Typická síť zahrnuje 300 až 1200 svítidel. Řízení všech svítidel je zajištěno přes ZigBee a centrální počítač. V případě potřeby jsou přidány řídící subsystémy, postavené na RF modulech XTend od Digi. Datová komunikace je primárně řízena časovým plánem, do kterého vstupují data, odeslaná senzory a akce, vyžádané obsluhou na terminálech nebo spínačích. Přestože Mesh síť, postavená na ZigBee potřebuje určitý čas na doručení dat z ovladače nebo senzoru na centrální terminál i na vyslání a doručení příkazu svítidlům zpět, je reakční doba sepnutí světel kratší než 1 sekunda.

Spolehlivost sítě ověřená dlouhodobým testem
Z pohledu návrhu bezdrátové sítě je důležité to, že systém dobře funguje v klasických průmyslových a komerčních halách s ocelovou či železobetonovou konstrukcí, včetně vnitřních příček. RF provoz uvnitř obsahuje klasické WiFi, Bluetooth, privátní telefonní buňky nebo provoz audio vysílačů. ZigBee se standardním zabezpečením i v těchto podmínkách zajišťuje spolehlivé řízení osvětlení.

Twisthink již v roce 2007 spustila testovací síť s více než osmi sty řídícími jednotkami svítidel, rozdělenými do 35 skupin. Ovládací příkazy byly posílány průměrně 30xdenně. Testovací provoz zahrnoval spínání podle časového plánu, reakci na senzory denního světla i spínací terminály. Každý příkaz spínal několik skupin svítidel a řídící počítač vždy ověřoval, zda každé dotazované svítidlo reagovalo na příkaz. Síť tak zpracovala průměrně 3000 příkazů denně. Ke ztrátám či nedoručení zpráv nedocházelo, chybovost systému, postaveného na ZigBee Mesh je prakticky nulová – méně než 1 chyba na 1 mil. událostí, tedy kritérium, známé z IT: spolehlivost 99,9999 %.

https://www.silabs.com/
http://twisthink.com/

Autor: Robert Peškazdroj