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Bus di campo per Lighting Control

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La Redazione

fig1La diffusione del LED Lighting sta portando a soluzioni di controllo sempre più sofisticate, con l’obiettivo di ottenere il massimo come efficienza energetica e anche come comfort ambientale.

Una lampada a LED è un dispositivo a stato solido che utilizza diodi a emissione di luce, quindi Light Emitting Diode, come sorgente luminosa, con caratteristiche di maggior durata ed efficienza energetica. La transizione dalle tradizionali lampadine a incandescenza a un’illuminazione basata sui LED sarà fonte di risparmi energetici consistenti, tal per cui l’argomento non riguarda solo case e luoghi pubblici, ma anche uffici e ambienti produttivi, quindi anche, in ultima analisi, l’industria che tra l’altro è alla costante ricerca di soluzioni per ottimizzare i consumi energetici su tutti i fronti. Come riferimento si può considerare che circa il 22% del consumo di energia è imputabile all’illuminazione e un’ampia adozione della tecnologia a LED nei prossimi 20 anni potrà ridurre drasticamente la domanda di energia elettrica fino al 50%, con un calo delle emissioni di CO2 nel nostro Paese di quasi 43,5 milioni di tonnellate, e portare a risparmi finanziari che potrebbero superare i 7,2 miliardi di euro. Altro aspetto importante è quello per cui i LED consentono un controllo preciso e lineare della luce emessa, eventualmente anche come colore, da cui non solo comfort visivo ma anche e soprattutto ulteriore risparmio energetico. Attualmente sono disponibili sul mercato, con crescente diversificazione e sofisticazione, prodotti dedicati al controllo della luce LED, che può essere fatto per via digitale tramite specifici bus, e questo anche senza uscire dal contesto Ethernet, con cui si possono trasportare su cavo in rame Cat.5e o su fibra protocolli diversi dedicati al Lighting Control, connettendo virtualmente un numero illimitato di dispositivi LED.

I protocolli per Lighting Control

Da un punto di vista teorico, con un semplice PC è oggi possibile controllare la luce LED posto che gli elementi illuminanti siano connessi in rete, e non mancano opzioni mobile per un controllo tramite smartphone e tablet, ottenendo i risultati di flessibilità ed efficacia che il mercato richiede. Un primo riferimento è il bus KNX, open standard per applicazioni tipicamente home, supportato da più di 100 produttori europei; per quanto adeguato, presenta come “difetto” la necessità di un proprio bus system, e l’ampliamento di un’installazione iniziale potrebbe non essere immediato ed esente da costi. Altra opzione è DSI (Digital Serial Interface), originariamente sviluppato nel 1991 dalla società austriaca Tridonic, con trasmissione delle informazioni con un semplice protocollo a 8 bit, con data rate 1200 baud, un bit di start, 8 bit di dati e 4 bit di stop. Il protocollo DSI, limitato dalla necessità di collegamento di ogni canale alla singola sorgente, ha rappresentato la base da cui è stato definito il più sofisticato protocollo Digital Addressable Lighting Interface (DALI). Una rete DALI, in topologia Bus o Star, prevede più lighting device con interfacce DALI (diode bridge) e un controller per monitoraggio delle luci LED con scambio dati bidirezionale di tipo asincrono half duplex con codifica Manchester, su un bus a due fili con baud rate fisso di 1200 bit/sec; l’indirizzamento è individuale ma anche a livello di gruppo, con messaggi broadcast verso dispositivi multipli. Ogni device ha un indirizzo statico unico, da 0 a 63, da cui una possibilità di indirizzamento di 64 device, con ampliamento tramite gateway, e sempre tramite opportuni gateway sono possibili combinazioni con altri bus, per esempio con KNX. Le diverse configurazioni di illuminazione erano inizialmente memorizzate su EEPROM, il che poteva essere fonte di problemi stante il non illimitato numero di cicli di scrittura di queste memorie, mentre ora per le normali operazioni si utilizzano memorie RAM, con limitazioni degli accessi EEPROM al minimo necessario, solo in caso di modifiche. Ben più significativo il fatto che con DALI si può solo operare a livello di on/off e di funzioni dimming, cioè variazione di intensità luminosa. Un ulteriore passo avanti nel lighting control è stato DMX (Digital MultipleX), protocollo originariamente sviluppato per il controllo di luci di scena, e ora open standard meglio noto come DMX-512 (dal numero dei canali indirizzabili, il cosiddetto “DMX universe”), con cui è possibile, stante il data rate di 250Kbit/sec, non solo controllare il dimming ma anche cambi di colorazione della luce ed eventuali movimenti degli elementi portanti la luce LED, laddove previsti; lo standard elettrico è RS-485 e per la trasmissione dati è previsto un protocollo UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Come difetti di questa rete, in effetti sarebbe meglio dire come caratteristiche specifiche potenzialmente fonti di costi e tempi in sede di modifiche, l’impossibilità di collegare un massimo di 32 ricevitori a un bus DMX-512, la necessità di ripetitori e splitter e l’obbligo, stante il data rate relativamente alto, di cavi schermati. Ma le funzioni di DMX sono ottimali per lighting control, per cui il passo successivo è stato quello di trasmettere le informazioni su diverso “carrier” e la soluzione è stata trovata usando reti IP-based, quindi su cavi Ethernet e tramite WLAN, normalmente disponibili in uffici e siti industriali.

ArtNet: DMX over Ethernet e WIFI

ArtNet è un protocollo IP-based realizzato dalla società inglese Artistic Licence per la trasmissione d’informazioni DMX utilizzando tecnologie di rete standad, sia wired che wireless, potenzialmente in grado di controllare 32,786 universi DMX (16 milioni di canali DMX), eliminando quindi qualsiasi problematica di upgrade e future espansioni. Per precisione, vanno considerate tre versioni di ArtNet: la versione 1, per dati broadcast e con un universo limitato a 40; la versione 2, principalmente per pacchetti unicast e con indirizzamento di 256 universi; la versione 3, la più recente, con possibilità di avere 32,786 universi. Semplificando, a livello fisico si hanno cavi Ethernet che sostituiscono i cavi DMX, eliminando la necessità di trasmettitori DMX dato che i segnali sono inviati tramite una porta IP, per di più con comunicazione bidirezionale a scopo checkback. La gestione del trasferimento dati avviene con UDP (User Datagram Protocol), che gestisce il data transfer e mette a disposizione un servizio di trasmissione senza handshaking: non essendo necessario un setup del meccanismo di comunicazione prima di far partire la trasmissione, si hanno tempi di reazione più veloci per trasferimenti dati; altro vantaggio di UDP, la presenza di un data integrity check tramite l’invio di un checksum, con possibilità quindi di rilevare eventuali errori di trasmissione; il tutto senza dimenticare che per la trasmissione UDP si fa uso dell’Internet Protocol, IP. Vi sono naturalmente alcuni requisiti hardware da rispettare per implementare il protocollo ArtNet in una lampada o meglio nell’associato elemento di controllo in genere denominato ArtNet Node. Per esempio, il microcontrollore del nodo deve essere TCP/IP-enabled e nel caso di controllo diretto della luce deve poter generare più output PWM, ma le situzioni vanno verificate a seconda delle applicazioni. Da evidenziare che primari produttori di microcontrollori, per esempio NXP, STMicroelectronics e Texas Instruments, mettono a disposizione controllori con già un MAC e un protocol stack free of charge: gli stack più usati sono lwIP (lightweight IP), stack TCP/IP open source per sistemi embedded, e µIP, altro stack open source per microcontrollori embedded a 8 bit, ed entrambi supportano comunicazioni UDP, facilitando il lavoro dei progettisti. Per sviluppi più sofisticati, sono oramai disponibili applicazioni per Windows, per Apple e anche per altre piattaforme, e vi sono App che supportano il protocollo ArtNet per iPhone e iPad: in pratica si possono anche controllare luci singole dal proprio smartphone o dal proprio tablet, via wireless.

 

Bus di campo per Lighting Control - Ultima modifica: 2014-02-06T14:57:11+01:00 da La Redazione