PoE를 Bluetooth 저에너지와 결합하여 스마트 조명 인프라를 비용 효율적으로 구현

스마트 조명은 효율적이고 수명이 긴 LED를 무선 연결과 결합하여 건물 관리자가 건물 안에 사람이 있는지 여부에 따라 조명을 맞춤 설정하고 에너지 사용을 최소화할 수 있도록 도와줍니다. 스마트 조명을 신축 건물에 설치하는 것은 상대적으로 간단하지만, 기존 건물에 새로 장착하려면 복잡하고 비용이 크게 증가합니다. 기존 건물의 건물 관리자는 더 저렴하면서 향상된 조명 기능을 활용할 수 있는 대안을 찾고 있습니다.

간단하면서 비용 효율적인 대안으로 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 기존 이더넷 네트워크에 추가하여 LED에 전력을 공급할 수 있습니다. 하지만 이더넷은 컴퓨터 간에 대량의 정보를 빈번하게 전송하도록 고안되어 있어 전송이 빈번하지 않고 소규모 정보를 전송하는 스마트 조명을 연결하는 데는 적합하지 않다는 단점이 있습니다.

해결 방법은 스마트폰에서 무선 구성과 제어를 위한 Bluetooth 저에너지(LE) 연결과 PoE를 결합하는 것입니다. 이 단거리 RF 표준은 이미 스마트 조명에 널리 채택되고 있고 스마트폰과 상호 운용 가능합니다. 이 상호 운용성으로 인해 비싼 독점 사용자 인터페이스를 사용하지 않고 핸드셋의 앱에서 직접 조명을 제어할 수 있습니다.

이 기사에서는 PoE를 소개하고 PoE 기반 LED 조명 인프라의 이점을 설명하고 설계자가 PoE LED 조명 솔루션을 구현할 수 있는 방법을 살펴봅니다. 그런 다음 Maxim Integrated, STMicroelectronics 및 ON Semiconductor의 PoE+ Bluetooth LE 참조 설계 및 평가 키트를 참조하여 Bluetooth LE를 통해 네트워크의 무선 구성과 제어를 구현하는 방법을 설명합니다.

간략한 PoE 소개

원래 PoE 기술(IEEE 802.3af "유형 1")은 공칭 15.4W DC 전력(최소 44V DC 및 350mA)을 각 장치에 공급하고, 이더넷 네트워크에 일반적인 RJ45 커넥터와 Cat5 케이블을 사용합니다.

이더넷 케이블의 사용되지 않는 컨덕터("대체 B")를 사용하여 전력을 송신하거나, 케이블의 차동 신호 데이터 전송을 방해하지 않는 각 쌍에 공통 모드 전압을 적용하여 케이블의 데이터 컨덕터("대체 A")를 통해 전력을 송신할 수 있습니다.

IEEE 802.3af에서는 전력 공급 장비(PSE)와 구동 장치(PD)라는 두 가지 유형의 PoE 장치를 정의합니다. PSE는 자체적인 기존 전원 공급 장치의 전력을 소비하고 이더넷 케이블 네트워크를 통해 PD에 송신되는 전력을 관리하므로, PoE를 통해 필요한 전력을 수급할 수 있습니다. IEEE PoE 표준은 PSE와 PD 사이에서 신호를 제공합니다. PSE에서 이 신호를 사용하여 장치를 감지할 수 있습니다. PSE는 컨덕터 전반에 2.8V ~ 10V 사이의 DC 전압을 적용하고 루프 전류를 측정하여 연결된 PD가 있는지 확인합니다. PD는 120nF의 병렬 정전 용량을 통해 19kΩ ~ 27kΩ 사이의 저항 부하를 제공해야 합니다. PD가 감지될 경우 PSE와 PD는 필요하거나 사용 가능한 전력량을 '협상'합니다.

원래 표준인 15.4W보다 높은 전력이 필요한 장치가 증가하는 현실에 대응하기 위해 2009년에 "PoE+"(IEEE 802.3at "유형 2")를 도입했습니다. 이 기술은 최대 공칭 25.5W를 PD에 공급할 수 있습니다. PoE+ 전류는 원래 표준인 350mA에서 600mA로 증가했습니다. PoE 및 PoE+에 대한 자세한 내용은 DigiKey 기술 자료 이더넷을 통한 전력 공급(PoE) 소개를 참조하십시오. 최신 버전 IEEE 802.3bt "유형 3" 및 "유형 4"는 각각 공칭 60W 및 90W 전력과 600mA 및 960mA 전류를 공급합니다.

미드스팬 PoE 설계 구현

PSE는 스위치/허브의 엔드스팬에 있거나 미드스팬으로 구현됩니다. 엔드스팬 PSE는 일반적으로 이더넷 스위치 내에 장착되고, 미드스팬 PSE는 공칭 이더넷 스위치와 PD 사이에 위치한 "전력 인젝터"로서 데이터 전송에 영향을 주지 않고 네트워크 케이블을 통해 전력을 공급합니다. 기존 이더넷 스위치를 PoE를 지원하는 새 모델로 교체하려면 많은 비용이 들지만, PSE를 미드스팬에 설치할 수 있다면 PoE를 기존 네트워크에 도입할 수 있습니다.

PoE 미드스팬 구현에서는 사용되지 않는 이더넷 쌍을 통해 직접 전력을 배분합니다. 양극 PoE PSE 출력(V+)은 전선 4와 전선 5에 연결되고, 음극 PSE 출력(V-)은 전선 7과 전선 8에 연결됩니다. 이 구성에서 전력 쌍은 원래 신호 쌍과 분리되고, PoE 미드스팬 전력 인젝터를 통해 직접 전달됩니다. 이 유형의 구현은 Maxim Integrated MAX5969 단일 채널 PD 컨트롤러 및 MAX5980 4채널 PSE 컨트롤러를 통해 그림과 같이 구성됩니다(그림 1).

그림 1: PoE 미드스팬 구현에서는 이더넷 Cat5 케이블에서 이전에 사용되지 않던 전선을 통해 전력을 공급합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX5969는 IEEE 802.3af/at PoE 시스템을 준수하는 완벽한 인터페이스를 PD에 공급합니다. 이 장치는 탐지 서명, 분류 서명 및 유입 전류 제어 기능이 있는 통합 분리 전원 스위치 PD를 제공합니다. 입력 전압에 따라 MAX5969는 PD 감지, PD 분류, 이벤트 표시, PD 전력의 네 가지 모드 중 하나로 작동합니다. 입력 전압이 1.4V ~ 10.1V 사이이면 장치가 PD 감지 모드로 전환되고, 12.6V ~ 20V 사이이면 PD 분류 모드로 전환됩니다. 또한 입력 전압이 V_ON(35.4V)을 초과하면 PD 전력 모드로 전환됩니다.

MAX5980 4채널 PSE 컨트롤러는 IEEE 802.3af/at PoE PSE 구현에 사용하도록 설계되었습니다. 이 장치는 PD 검색, 분류, 전류 제한, 부하 분리 감지 기능과 네 가지 작동 모드를 제공합니다.

• 자동 모드에서는 소프트웨어 없이 장치가 기본 설정으로 자동으로 작동합니다.
• 반자동 모드에서는 포트에 연결된 장치를 자동으로 감지하여 분류하지만 소프트웨어에서 지시할 때까지 포트에 전력을 공급하지 않습니다.
• 수동 모드에서는 소프트웨어를 통해서만 장치를 제어하며 시스템을 진단하는 데 유용합니다.
• 전원차단 모드에서는 모든 활동을 중단하고 포트 전원을 안전하게 끕니다.

Maxim은 MAX5980을 통한 개발 작업을 위한 MAX5980EVKIT 평가 키트(EK)를 공급합니다. 이 EK는 MAX5980 PSE 컨트롤러와 네 개의 N-채널 전력 MOSFET(-48V 또는 -54V 전원 공급 장치용)으로 구성된 이더넷 4포트 PSE 회로를 탑재합니다. 이 EV 키트는 네 이더넷 출력 포트 각각에 대해 별도의 독립적인 전력 채널을 구현하고, 엔지니어가 채널별로 전체 PSE 컨트롤러 기능을 체험해 볼 수 있도록 해줍니다. 구성 가능한 작동 모드 및 고전력 모드(포트당 최대 30W로 프로그래밍 가능)를 설정할 수 있으며, 엔지니어는 I²C 인터페이스, PD 감지, PD 분류, 과전류 및 부족 전압/과전압 보호, 전류 폴드백 및 DC 분리 모니터링을 통해 포트 전류 정보를 체험할 수 있습니다.

비트 수준에서 각 레지스터에 액세스하여 PC 호환 소프트웨어를 통해 구성을 완료할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: MAX5980 평가 키트에는 PSE 컨트롤러의 감시를 받는 네 개의 포트를 간단히 구성할 수 있는 PC 호환 소프트웨어가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

PoE 기반 LED 조명 추가

새로운 스마트 조명을 배선할 필요가 없는 외에도 PoE 연결 조명을 사용하면 LED 조명 기구 전원 공급 장치의 복잡도를 줄일 수 있다는 주요 이점이 있습니다.

PoE 소켓에 연결된 LED 조명 기구는 PD 역할을 하여, AC를 DC로 변환하고 주 전압을 강압하기 위한 1차 전력 조정 스테이지 없이 네트워크에서 직접 깨끗하게 조정된 DC 전력을 직접 사용합니다. 하지만 PoE의 (공칭) 44V DC 공급 장치는 공급 장치와 조명 사이에 LED 구동기를 장착해야 하므로 LED에 직접 전력을 공급하는 데 적합하지 않습니다. LED 구동기는 입력을 LED에 필요한 정전류 및 정전압으로 변환하여 입력을 조정합니다.

PoE 작동용으로 설계된 LED 구동기의 좋은 예로는 Maxim Integrated의 MAX16832가 있습니다. 이 장치는 ±3% 정확도로 최대 1A의 정전류 출력을 제공하는 6.5V ~ 65V 전압 입력 범위를 지원하는 강압 정전류 고휘도 LED 구동기입니다. 전용 PWM 입력을 사용하여 광범위한 휘도 수준에서 펄스 LED 조광을 지원합니다. 2MHz 스위칭을 지원하여 더 작은 자기 부품을 사용할 수 있습니다. 45V 입력에서 LED 5개를 직렬로 구동할 경우 약 95%의 효율성이 실현됩니다. 아날로그 열 폴드백 기능은 LED 스트링의 온도가 지정된 값을 초과하면 LED 전류를 줄입니다. MAX16832에 일반적인 응용 회로를 보여줍니다(그림 3).

그림 3: MAX16832 고휘도 LED 구동기 응용 회로 이 구동기는 PoE LED 조명 응용 분야에 적합합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

PoE 기반 LED 조명을 Bluetooth LE와 결합

LED 밝기를 정밀하게 줄이고, LED를 즉시 켜거나 끄고, 많은 온도 및 색 변화를 지원하도록 구성할 수 있습니다. 소비자가 연결할 수 있어 이 적응성에 쉽게 접근할 수 있습니다. 이더넷 네트워크를 스마트 조명 연결에 직접 사용할 수 있습니다. 그러나 네트워크는 LED 조명 간에 빈번하지 않은 소량 데이터 대신 컴퓨터 간에 대용량의 데이터를 빈번하게 전송하도록 고안되었으므로 복잡해집니다.

반대로 Bluetooth LE는 스마트 조명 연결 요구 사항에 매우 적합합니다. 주요 이점으로는 최대 100m 범위 내에서 소량의 데이터를 에너지 효율적으로 전송, 광범위한 벤더 기반, 스마트폰과 상호 운용성(추가 사용자 인터페이스 없이 구성 및 제어 가능), 특정 조명 또는 조명 그룹에 대한 즉각적인 제어를 지원하는 메시 네트워킹 기능 등이 있습니다. Bluetooth 메시에 대한 자세한 설계 정보는 DigiKey 기술 자료 Bluetooth 메시를 사용하여 Bluetooth 저에너지 스마트 응용 제품 설계를 참조하십시오.

Bluetooth LE를 PoE LED 조명에 추가하는 것은 간단하지 않지만(Bluetooth LE로 설계하는 방법에 대한 자세한 내용은 DigiKey 기술 자료 Bluetooth 4.1, 4.2, 5 호환 Bluetooth 저에너지 SoC 및 도구로 IoT 문제 해결 참조), 분명한 이점이 있으므로 연습해 두는 것이 좋습니다. 또한 칩 벤더 참조 설계와 평가 키트를 사용하여 PoE 기반 무선 연결 스마트 조명 시스템을 훨씬 쉽게 개발했습니다.

예를 들어 Bluetooth LE 연결을 사용하는 STMicroelectronics의 PoE 참조 설계 STEVAL–POEL45W1이 있습니다. 이 참조 설계는 STMicroelectronics의 PM8805 IEEE802.3bt 규격 PD PoE 인터페이스(최대 3A 전류를 소싱할 수 있는 LED 구동기)와 Bluetooth LE 모듈을 기반으로 합니다. 참조 설계에서는 45W의 전력 출력을 구동합니다.

참조 설계(STSW-POEL45FW)에서 제공되는 펌웨어는 PoE 조명 Android 응용 제품과 통신하여 500Hz 펄스 폭 변조(PWM) 듀티 사이클(펌웨어에서 생성됨)을 제어함으로써 LED 구동기의 켜기/끄기 모드와 밝기를 관리할 수 있습니다. 또한 설계자는 LED 무선 구성 및 제어를 개선하는 응용 소프트웨어를 개발하고 STMicroelectronics의 STSW-BNRG1STLINK 유틸리티를 사용하여 Bluetooth LE를 프로그래밍할 수 있습니다.

ON Semiconductor의 오퍼링은 LIGHTING-1-GEVK 연결 조명 프로그램입니다. 이 제품은 무선 연결을 통해 완벽한 조명 솔루션에 내장될 수 있는 여러 플러그인 평가 기판(이중 LED 구동기, LED 조명 및 Bluetooth LE 기능 지원)으로 구성됩니다. 기본 전원 공급 장치는 AC/DC 컨버터이지만, ON Semiconductor은 PoE 전원 공급 장치인 LIGHTING-POWER-POE-GEVB도 제공합니다(그림 4).

그림 4: ON Semiconductor의 연결 조명 플랫폼에 사용하도록 고안된 PoE 전원 공급 장치는 LED 조명 기구를 IEEE 802.3af/at/bt 규격 PD로 변환합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

PoE 전원 공급 장치의 중심에는 ON Semiconductor의 NCP1096PAR2G PoE PD 컨트롤러가 있습니다. 이 칩은 LED 조명 기구를 IEEE 802.3af/at/bt 규격 PD로 변환합니다. NCP1096은 내부 패스 트랜지스터를 통해 고전력 응용 제품(최대 90W)을 지원합니다.

PoE 전원 공급 장치로 연결된 조명 플랫폼을 사용하려면 PSE 미드스팬 전력 인젝터를 전원 공급 장치의 입력에 연결해야 합니다. ON Semiconductor는 100V ~ 240V 입력에서 최대 90W(56V)를 제공하는 미드스팬 전력 인젝터인 Phihong POE90U-1BT-2-R을 권장합니다.

PSE 미드스팬 전력 인젝터를 PoE 전원 공급 장치 입력에 연결하는 것은 완벽한 PoE 기반 무선 연결 하드웨어 시스템에서 LED 구동기를 전원 공급 장치 출력에 연결하고, Bluetooth LE 연결 모듈을 LED 구동기의 커넥터에 연결하는 한 예에 불과합니다.

연결 조명 플랫폼용 펌웨어 개발은 광범위한 통합 개발 환경(IDE)에서 실행되는 설계 도구인 ON Semiconductor의 Bluetooth CMSIS 소프트웨어 개발 키트(SDK)를 통해 수행됩니다. 이 펌웨어는 CMSIS SDK의 일부로 제공되는 실시간 운영 체제인 FreeRTOS에서 실행됩니다. IDE에 설치한 경우 SDK를 사용하여 다음 Bluetooth LE 서비스를 체험할 수 있습니다.

• 조명 제어 서비스: 연결된 장치에서 연결된 LED 스트링의 상태를 읽고 변경하는 데 사용됩니다.
• 원격 측정 서비스: 플랫폼에서 측정된 변수를 연결된 장치에 노출합니다. 변수에는 각 LED 구동기를 통해 흐르는 전류와 시스템 전압이 포함됩니다.
• PoE 전력 공급 서비스: 피어 장치가 PoE 인젝터와 플랫폼 간에 협상된 장치에 부과된 PoE 전력 제한 관련 정보를 검색할 수 있습니다.

Bluetooth CMSIS SDK에는 IDE 작업 공간에서 쉽게 가져와서 연결된 조명 플랫폼의 Bluetooth LE 칩에 이식할 수 있는 많은 샘플 응용 제품이 포함되어 있습니다(그림 5).

그림 5: ON Semiconductor의 Bluetooth CMSIS SDK에는 ON Semiconductor의 연결 조명 플랫폼에 사용하기 위한 샘플 조명 응용 제품이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

연결 조명 플랫폼은 iOS 및 Android 스마트폰과 호환되는 연결된 스마트폰 앱인 RSL10 Sense 및 Control App에서도 제공됩니다. 스마트폰에 다운로드한 경우 개발자에게 앱을 연결 조명 플랫폼과 연결하라는 메시지가 표시됩니다. 앱에서 개발자는 다음을 수행할 수 있습니다.

• 측정된 LED 채널 전류 및 시스템 전압 원격 측정 데이터 표시
• 각 LED 채널의 PWM 듀티 사이클을 독립적으로 설정하고 밝기 제어
• PoE PD 컨트롤러와 PSE 간에 협상된 전력 제한 관련 정보 표시(그림 6)

그림 6: ON Semiconductor Sense 및 Control App은 연결 조명 플랫폼의 구성 및 성능 정보를 제공합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

결론

스마트 조명은 효율적이고 수명이 긴 LED를 편리한 무선 연결과 결합합니다. 기존 인프라를 업그레이드하는 간단하고 비용 효율적인 대안은 상용 이더넷 네트워크에서 PoE를 구현하여 LED 조명에 전력을 공급하고 스마트폰에서 무선으로 조명을 구성 및 제어할 수 있도록 Bluetooth LE 연결을 추가하는 것입니다.

PoE 기반 무선 스마트 조명을 설계하는 것은 간단한 일이 아니며, 많은 완성형 PoE PSE 및 PD 솔루션과 광범위한 PoE 호환 LED 구동기가 많이 있습니다. 또한 Bluetooth LE는 스마트 조명을 염두에 두고 설계되었습니다. 주요 칩 공급업체의 즉시 사용 가능한 PoE+ Bluetooth LE 평가 키트 및 펌웨어 예제를 기반으로 시제품을 설계할 경우 개발 공정이 간단합니다.