Bild 1: Schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten für ein intelligentes Lichtsteuerungssystem.

Bild 1: Schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten für ein intelligentes Lichtsteuerungssystem. FTDI

Die wachsende Bedeutung der Heim- und Gebäude-Automation, sowie der lang erwartete Einzug der IoT-Technologie, sind Impulse an die Halbleiterhersteller, hochintegrierte Plattformen verfügbar zu machen, welche die Basis für intelligente vernetzte Systeme bilden. Durch die Kombinierung mehrere hochintegrierter ICs auf einer Plattform entstehen Module, welche den neuesten Entwicklungsstand und eine hohe Skalierbarkeit aufweisen. Zusätzlich sind diese Systeme in einem gewissen Grad auf Kundenwünsche anpassbar. Der nachfolgende Artikel wird aufzeigen wie mithilfe einer solchen Plattform ein System zur Steuerung einer Gebäude-Beleuchtung realisiert werden kann.

Beleuchtung zentral steuern

Im Gegensatz zur klassischen Beleuchtungsinstallation mit mechanischen Lichtschaltern besteht der Hauptvorteil eines automatischen Beleuchtungssystems in der zentralen Steuerung mit Zugriff von beliebiger Stelle. Die Kontrolle der gesamten Gebäudebeleuchtung wird damit künftig noch komfortabler. Solch moderne Systeme ermöglichen auch ein Energiemanagement, sodass sich der Energieverbrauch senken lässt.

Eckdaten

Für die Funktionserweiterung oder eine komplette Entwicklung von Lichtsteuerungssystemen bietet FTDI Chip hochintegrierte Mikrocontroller wie die Embedded-Video-Engine (EVE) FT800 für den Einsatz in Touch-Display-Bedienteilen und den FT900 als Schnittstellen-Bridge-Modul an. Über den Distributor Simos Elektronik sind beide Bausteine jeweils auch als Evaluation-Board inklusive Software erhältlich, was Entwicklern den Einstieg erleichtert und durch Ergänzung weniger weiterer Module einen schnellen Testaufbau ermöglicht.

Licht kann im kompletten Wohnsitz vom jeweiligen Bedienteil individuell ein- und ausgeschaltet, gedimmt oder aber auch die Farbe verändert werden, was den Anforderungen der Bewohner an eine moderne Beleuchtungssteuerung entspricht. Die Bedienung erfolgt entweder über fest im Gebäude installierte Touch-Display-Bedienteile oder auch ferngesteuert über die drahtlose Kommunikationsinfrastruktur mithilfe eines Smartphones oder eines Tablet-PCs. Die Beleuchtung kann damit komfortabel bedient werden, auch wenn die Bewohner nicht zu Hause sind. Verschiedene Beleuchtungsprofile lassen sich erstellen, speichern und bei Bedarf schnell abrufen. Ferngesteuert schaltbare Beleuchtung erhöht auch das Sicherheitsgefühl der Bewohner bei Dunkelheit und schreckt potenzielle Einbrecher ab.

In Räumen fest installierte intelligente Lichtschalter können bei Dunkelheit automatisch ihre eigene stromsparende Hintergrundbeleuchtung einschalten, wodurch sie in dunklen Räumen leichter zu finden sind.

Komponenten der Beleuchtungssteuerung

Mit dem in Bild 1 dargestellten, einfach zu implementierenden System kann die alltägliche Beleuchtung in einer häuslichen Umgebung bequem und intuitiv gesteuert werden. Das kombinierte System umfasst einen Mikrocontroller, Bedienteile bestehend aus Touch-Display und Hochleistungs-Grafikcontroller sowie zugehörige Schnittstellen- und Bridge-Module.

Das an der Wand montierte Bedienteil bietet eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) und kommuniziert über eine SPI-Schnittstelle mit dem Mikrocontroller und dem nachfolgenden Beleuchtungsnetzwerk. Über Wi-Fi-Module können auch Smartphones per Wi-Fi-Direct auf die Beleuchtungssteuerung zugreifen. Über die Benutzeroberfläche können die Bewohner jede einzelne Lichtquelle im Gebäude auswählen und Helligkeit sowie Lichtfarbe passend zur Beleuchtungssituation einstellen. Die Arbeitsplatzbeleuchtung in der Küche könnte hell und tageslicht-weiß konfiguriert werden, die indirekte Beleuchtung im Wohnzimmer dezent und warm-weiß.

Bild 2: Entwurf einer Bedienoberfläche zur Farbeinstellung.

Bild 2: Entwurf einer Bedienoberfläche zur Farbeinstellung. FTDI

Das Layout vom GUI des stationären Touch-Display-Bedienteils wird auf eine entsprechende Smartphone-App gespiegelt. Damit hat der Benutzer dieselbe Benutzeroberfläche zur Steuerung des Beleuchtungssystems, unabhängig ob er sich innerhalb oder außerhalb des Hauses befindet. Mithilfe der grafische Darstellung des Raumplans lassen sich bestimmten Räumen einfach und übersichtlich spezifische Beleuchtungsszenarien zuweisen.

Programmierbare Leuchten verfügen über eine Vielzahl von vordefinierten Leuchtprofilen, was die Konfiguration bestimmter Umgebungslichtzustände sehr vereinfacht. Timer-Funktionen in ausreichender Anzahl können einzelne Beleuchtungen zu bestimmten Zeitpunkten während des Tagesverlaufes ein- und auszuschalten. Zudem lassen sich Energieverbrauchsdaten erfassen und auswerten, was eine Reduzierung des Stromverbrauchs ermöglicht. Das gesamte Beleuchtungssystem ist ein breit skalierbar und sehr flexibel im Ausbau.

Intelligente LED-Beleuchtungsmittel mit integrierter Elektronik zur drahtlosen Steuerung können als Netzwerkknoten im Beleuchtungsnetzwerk eingebunden werden.

Im Beleuchtungssystem sollten sowohl fest installierte Bedienfelder wie auch mobile Bedienteile eingebunden sein, um überall und unabhängig kontinuierlichen Zugriff auf die Systemsteuerung zu gewährleisten. Eine Steuerung ausschließlich über mobile Bedienteile ist riskant, denn sie können verlegt werden, verloren oder zu Bruch gehen oder wegen leerer Batterien ausfallen.

Bild 3: Evaluation-Board MM900EV von FTDI Chip mit dem µC FT900.

Bild 3: Evaluation-Board MM900EV von FTDI Chip mit dem µC FT900. FTDI

Netzwerke überbrücken

In der Lichtsteuerung aus Bild 1 ist als Mikrocontroller der Bridge-Chip FT900 von FTDI eingesetzt. Er hat eine RISC-Architektur und verbindet Bedienteile über die SPI-Schnittstelle mit dem drahtlosen Beleuchtungsnetzwerk. Der FT900 hat einen proprietären 32-Bit-Embedded-Prozessor-Kern. Seine Befehle werden aus einem Shadow-RAM anstelle eines herkömmlichen, viel langsameren Flash-Speichers ausgeführt. Dies ermöglicht es dem Prozessor echte Zero-Wait-State Operationen auszuführen, was eine Rechenleistung von 3,10 DMIPS (Dhrystone million instructions per second) freisetzt. Der FT900 besitzt eine breite Palette von I/O-Optionen, inklusive 10 oder 100 MBit/s Ethernet, SPI, USB 2.0, I2C, I2S und UART-Schnittstellen.

Über die Ethernet-Schnittstelle ist dieser Mikrocontroller mit einer LAN-Zigbee-Brücke gekoppelt, welche die Kommunikation mit allen Lampen im Zigbee-Mesh-Netzwerk ermöglicht. Gleichzeitig kommuniziert die Embedded-Video-Engine (EVE) FT800 von FTDI über die SPI-Schnittstelle mit dem Controller. Aufgabe des FT800 ist die Darstellung der GUI-Bildschirminhalte, unter Anderem komplexe Grafiken wie Zifferblätter, Uhren, Messgeräte und ähnliche. Der hierbei verwendete innovative, objektorientierte Ansatz reduziert die erforderliche Daten-Bandbreite erheblich im Vergleich zu herkömmlichen Grafik-Lösungen. Ein integrierter Touch-Controller erkennt die Berührpositionen am Display, verknüpft sie mit den grafischen Bedienelemente und löst ihre Funktion aus.

Bild 4: Das VM800C-Modul enthält den hochintegrierten FT800-Grafikcontroller (EVE) und wahlweise ein LCD zwischen 3,5 und 5 Zoll Diagonale mit Multi-Touch-Funktion.

Bild 4: Das VM800C-Modul enthält den hochintegrierten FT800-Grafikcontroller (EVE) und wahlweise ein LCD zwischen 3,5 und 5 Zoll Diagonale mit Multi-Touch-Funktion. Simos Elektronik

Software, Treiber und Quellcode

Die Funktionsblöcke der kompakten und effektiven Software-Architektur aus dieser Beleuchtungsanwendung ist in Bild 2 dargestellt. Sie umfasst die komplette FT900-Anwendungssoftware sowie Treiber für die Kommunikation mit der Smartphone-App. Sie verarbeitet über den FT800 die Benutzereingaben vom Touch-Display und initiiert auch jede Wi-Fi-Direct-Kommunikation, welche vom Smartphone des Benutzers aus gestartet wird.

Der Mikrocontroller FT900 wird durch eine umfassende Datenbank mit vielen durch den Benutzer konfigurierbare Dateien unterstützt. Das sind Treiber, Display-Bibliotheken mit Darstellung von Räumen zur übersichtlichen Zuordnung der Leuchten, Beispiele für Ambiente- und Timer-Einstellungen und vieles mehr. Jeder Status einer Leuchte der ins Netzwerk übernommen wurde, wird kontinuierlich in der Benutzeroberfläche aktualisiert.

Als universeller Schnittstellen-Brücken-Baustein kann der FT900 eine Vielzahl verschiedener Smartphones und Controller sowie viele Home-Automation-Geräte mit unterschiedlichen Schnittstellen in die Beleuchtungssteuerung einbeziehen.

Bild 5: Aufbau der Software Architektur.

Bild 5: Aufbau der Software Architektur. FTDI

FTDI stellt Systementwicklern ein Evaluation-Board mit FT900-Controller und eine komplette FT800-Touch-Display-Hardware, inklusiv Lautsprecher und Hintergrundbeleuchtung zur Verfügung. Für den Aufbau einen Demo-Systems zur Beleuchtungssteuerung werden weitere Komponenten wie eine LAN-to-Zigbee-Bridge, ein USB-to-WLAN-Dongle und Zigbee-LED-Lampen benötigt. Einige der verwendeten Programme sind auf Anfrage als Source-Code erhältlich.

Der Simos Elektronik Vertrieb ist seit langem autorisierter FTDI-Distributionspartner, auch für FT80x- und FT90x-Bausteine und Entwicklungsmodule. Auf der Firmen-Webseite sind viele Produktinformationen sowie Applikationshinweise, Software-Code und Bibliotheken verfügbar.

Bridge-Technologie

Eine Remote- oder Translation-Bridge verbindet zwei Teilnetzwerke mit unterschiedlichen Zugriffsverfahren auf der zweiten Ebene des OSI-Schichtenmodells. Im Fall der hier vorgestellten Lichtsteuerung ist das eine Überbrückung zwischen WLAN (IEEE-802.11) von mobilen Bedienteilen wie beispielsweise Smartphones und Zigbee (IEEE 802.15.4), dem Protokoll von den intelligenten Leuchtmitteln. Ein Gateway ist in der Regel leistungsfähiger als ein Bridge-Modul und bedient alle OSI-Schichten.