L’éclairage intelligent au service de la géolocalisation en intérieur
En combinant l’alimentation par Ethernet (PoE) et des technologies de communication par la lumière visible (VLC) de type Li-Fi, il est possible de créer des systèmes d’éclairage intelligents capables, entre autres, de localiser en intérieur des personnes ou des équipements industriels mobiles (AGV) avec une précision de moins de 30 cm.
par Mike Sandyck, directeur marketing produits de onsemi, article adapté par Pascal Coutance
Mike Sandyck, directeur marketing produits de onsemi – Crédit : onsemi
Grâce à sa capacité à fournir plus de 90 W de manière sûre et efficace, l’alimentation par Ethernet (PoE, Power over Ethernet) s’est révélée comme l’un des principaux moteurs de croissance des systèmes d’éclairage connectés. La combinaison de cette technologie avec les avantages de la communication par la lumière visible (VLC, pour Visible Light Communication), dont le Li-Fi (Light-Fidelity) est un exemple, permet de développer des systèmes de localisation en intérieur extrêmement sûrs et performants, qui offrent des performances supérieures à celles des solutions RF dans certains domaines d’application.
Dans cet article, nous verrons comment la technologie PoE a évolué pour devenir une solution viable pour l’éclairage industriel, et comment la technologie VLC peut être ajoutée au système pour permettre la localisation.
Le point sur la norme PoE (IEEE 802.3xx)
La norme PoE a été développée pour permettre aux périphériques de faible puissance d’être alimentés à partir d’un simple hub central, en éliminant ainsi la complexité, le coût et les problèmes de conformité associés à l’alimentation secteur au sein d’un bâtiment. Comme beaucoup de normes, la norme IEEE 802.3xx – l’autre nom du PoE – a évolué au fil des ans, offrant davantage de fonctionnalités et de puissance supportée, à chaque nouvelle version.
La première version de la norme (IEEE 802.3af) a été lancée en 2003 et fournit une puissance de 15,4 W à des appareils tels que des téléphones sur IP, des points d’accès et des capteurs. En pratique, compte tenu des pertes dans les câbles, la puissance disponible pour chaque périphérique est de l’ordre de 13 W. La déclinaison suivante de la norme (IEEE 802.3at), également appelée PoE+, offre une capacité de 30 W, réduite à 25 W toujours en tenant compte des pertes. De quoi alimenter des appareils plus complexes et de charger des petits appareils comme des tablettes.
Figure 1 – Différentes versions de la norme PoE et types de câblage utilisés – Crédit : onsemi
Si ces deux normes restent valables, la dernière mouture de la norme PoE à ce jour porte le nom de IEEE 802.3bt. Lancé en 2018, elle se divise en deux catégories : le type 3 (PoE++), qui peut fournir jusqu’à 60 W par port, et le type 4 (PoE de puissance supérieure) qui peut fournir jusqu’à 90 W au point d’utilisation. Le tableau de la figure 1 résume les caractéristiques ainsi que le câblage utilisé pour les différentes versions de la norme PoE.
Alors que la puissance définie par la norme 802.3bt type 4 était destinée à des appareils tels que des ordinateurs portables, avec l’avènement de l’éclairage Led, elle permet aussi d’alimenter des systèmes d’éclairage intelligents de taille moyenne à grande via PoE.
Systèmes d’éclairage PoE et communication par la lumière visible (VLC)
L’éclairage PoE présente de nombreux avantages, dont les deux principaux sont la sûreté et la flexibilité. Comme la tension du bus PoE reste, par conception, en dessous du seuil de sécurité de 60 V continu, les risques caractéristiques de la tension secteur, comme l’électrocution et l’incendie, sont écartés du système. Le seul câblage nécessaire est celui des luminaires ; un même câble Ethernet CAT 5 suffit pour l’alimentation et les données. Cela évite le recours (et donc le coût et la complexité) à une alimentation secteur, y compris le raccordement d’interrupteurs muraux.
Grâce à la connexion Ethernet, l’aspect commande du système d’éclairage peut être configuré via le réseau local, ce qui offre un éventail d’options de commande beaucoup plus large. Des capteurs intégrés peuvent fournir un retour d’information sur l’occupation des différents bureaux ou salles, afin d’optimiser la consommation d’énergie, ainsi que sur le contrôle de la température et de qualité de l’air intérieur. Les interrupteurs muraux peuvent évoluer vers un design de faible épaisseur, sans fil et à récupération d’énergie, ce qui évite le recours à des piles ou à des connexions électriques et permet de reconfigurer facilement et rapidement les espaces du bâtiment.
Systèmes de localisation basés sur les communications VLC
Bien qu’il ne s’agisse pas d’une technologie nouvelle, puisqu’elle remonte aux années 1880, lorsqu’Alexander Graham Bell a mis au point son « photophone », qui permettait de transmettre des flux de données en utilisant la lumière visible comme support, la technologie VLC suscite un intérêt croissant, notamment pour les applications en intérieur. Une application évidente de la technologie VLC est la mise en réseau grâce à la lumière (Li-Fi), particulièrement utile dans les zones dangereuses où il existe un risque d’explosion, ou encore dans les zones où sont présents des équipements sensibles aux interférences radio, comme dans les hôpitaux ou à bord des avions.
Les systèmes de localisation VLC utilisent les sources d’éclairage d’un bâtiment et un algorithme de triangulation pour calculer la position d’une personne ou d’un robot mobile. Crédit : onsemi
Une autre application, moins évidente, consiste à utiliser la lumière pour les systèmes de localisation à l’intérieur des bâtiments, par exemple pour guider un véhicule de type AGV (véhicule à guidage automatique) dans un entrepôt ou une usine intelligente, ou encore pour aider des personnes à naviguer dans de grands bâtiments, comme les aéroports, les stades ou les hôpitaux. Cette technologie de localisation ouvre également des opportunités commerciales telles que le marketing géolocalisé, qui consiste à attirer l’attention du consommateur sur une offre spéciale présente à proximité.
Les systèmes de localisation basés sur les communications VLC répondent à plusieurs problèmes posés par le GPS en intérieur. Il est possible que le signal GPS ne pénètre pas très bien dans le bâtiment et, même s’il y parvient, en rebondissant sur les murs, la propagation par trajets multiples entraîne des imprécisions dans le système.
Les systèmes de positionnement VLC utilisent les systèmes d’éclairage dans un bâtiment pour créer un système de positionnement à l’intérieur. Pour cela, chaque luminaire possède son propre identifiant, unique, qui est codé et transmis en permanence en modulant la lumière émise à une fréquence imperceptible pour l’œil humain. Lorsqu’un smartphone ou un appareil équivalent équipé d’une caméra et d’un algorithme de triangulation est à portée d’au moins trois luminaires VLC, l’application peut alors calculer la distance du smartphone aux trois sources lumineuses identifiées et en déduire la position du smartphone avec une précision inférieure à 30 cm, comme illustré par la photo ci-dessus.
Conception de systèmes VLC basés sur PoE
L’efficacité énergétique et la compacité sont les deux principaux défis auxquels sont confrontés les concepteurs de systèmes VLC basés sur PoE, sans oublier la pression pour lancer rapidement les conceptions sur le marché. onsemi bénéficie d’une grande expérience dans la conception de solutions à haut rendement énergétique pour de nombreuses applications, y compris l’éclairage intelligent. Sa solution d’éclairage intelligent basé sur PoE combine plusieurs dispositifs très intégrés sous un format compact qui facilite grandement la conception. Le schéma de la figure 2 illustre l’architecture d’un tel système.
La solution d’éclairage intelligent basé sur PoE d’onsemi combine plusieurs dispositifs très intégrés sous un format compact qui facilite grandement la conception. Crédit : onsemi
Les NCP1095 et NCP1096 sont des contrôleurs d’interface PoE-PD qui garantissent à la solution d’éclairage d’être conforme aux normes IEEE 802.3af/at et -3bt. Ils intègrent toutes les fonctions d’un système PoE, notamment la détection, la classification et la limitation du courant d’appel. Les NCP1095 et NCP1096 supportent tous les deux les applications jusqu’à 90 W et intègrent une protection contre les surintensités et la surchauffe, protégeant ainsi le dispositif et la charge d’éclairage. Le NCP1095 utilise un transistor de passage externe pour plus de souplesse au niveau conception, tandis que le NCP1096 est une solution complètement intégrée.
Le contrôleur d’interface est accompagné du pilote de Led NCL31000 d’onsemi qui comprend tous les éléments nécessaires à un système d’éclairage intelligent à haut rendement. La clé de ce dispositif réside dans l’utilisation d’un pilote de Led buck avec un rendement de 97%, qui prend en charge la variation analogique large bande passante et la modulation PWM (modulation de largeur d’impulsions) du courant, jusqu’à un courant nul. Le dispositif intègre des convertisseurs DC-DC pour alimenter le microcontrôleur et des périphériques de type capteurs, ce qui évite le recours à des convertisseurs DC-DC discrets. Cela simplifie la conception tout en permettant de gagner de la place et de réduire les coûts de nomenclature.
Sa capacité à faire varier le courant avec une précision de 0,1% ainsi que sa linéarité de haut niveau font du NCL31000 un outil bien adapté aux applications VLC, y compris la localisation basée sur la lumière. Une référence élevée et stable permet une véritable variation jusqu’à un courant de Led nul, et élimine tout risque de lumière fantôme. Les fonctions de diagnostic sont très complètes, avec notamment la mesure précise des courants, des tensions et des températures, qui sont fournis au microcontrôleur du système via une interface de type I2C / SPI.
On le voit ici, avec la convergence de l’éclairage intelligent basse consommation rendu possible par la technologie Led, et de l’évolution permanente de la norme PoE qui permet d’acheminer aujourd’hui jusqu’à 90 W au point d’utilisation, il est désormais possible de créer des systèmes d’éclairage sophistiqués qui ne nécessitent pas de câblage secteur important (et coûteux). Si ces systèmes peuvent être utilisés partout, ils sont particulièrement utiles dans les zones dangereuses telles que les mines et les plateformes pétrolières ou gazières, les environnements à forte humidité, ainsi qu’à proximité d’équipements sensibles, comme dans les hôpitaux ou à bord des avions.
S’appuyant sur une longue expérience en matière de solutions d’alimentation et de pilotes de Led à haut rendement, les contrôleurs d’interface PoE-PD NCP1095 et NCP1096, ainsi que le pilote de Led NCL31000 d’onsemi facilitent la conception de tels systèmes d’éclairage, en offrant une solution éprouvée, très efficace d’un point de vue énergétique et entièrement intégrée, qui permet une mise sur le marché plus rapide des solutions d’éclairage intelligent.
