In Büros, Krankenhäusern, Schulen und Fabriken geschehen zwar viele intelligente Dinge, aber die Gebäude, in denen diese Dinge geschehen, sind häufig nicht besonders intelligent. Daher gibt es kaum Daten, auf die man sich stützen kann, wenn es darum geht, die Energieeffizienz zu verbessern, Ressourcen aufzuspüren und die Beleuchtung zu optimieren. Zudem gibt es kaum Automatisierungssysteme, um die daraus gewonnenen Erkenntnisse zu nutzen. Angesichts der Tatsache, dass etwa ein Drittel der Treibhausgasemissionen in der EU auf gewerblich genutzte Gebäude entfällt (Europäische Umweltagentur) und die Wartungskosten gesenkt und das Gebäudemanagement verbessert werden müssen, gewinnt der Einsatz von intelligenten Gebäude- und Beleuchtungslösungen zunehmend an Bedeutung.

Die Umsetzung solcher Lösungen ist in Neubauten natürlich einfacher, da dort die notwendigen Kabel und Anschlüsse sowie die moderne Beleuchtung und Gebäudearchitektur bereits in der Planungsphase berücksichtigt werden. Doch angesichts der großen Anzahl an Bestandsimmobilien sind auch Nachrüstungen möglich, die zu Energie- und Kosteneinsparungen beitragen.

Es werden immer wieder neue intelligente Gebäudelösungen auf den Markt gebracht. Langfristiger Support, eine starke Lieferantenbasis und eine robuste technische Umsetzung sind hierbei jedoch besonders wichtig, vor allem bei einem System, das für die nächsten ein oder zwei Jahrzehnte funktionieren soll. Die KNX Association hat einen Standard für intelligente Gebäudetechnologie entwickelt, der 500 Hersteller und 8.000 zertifizierte Produkte umfasst und auf eine lange Liste erfolgreicher Implementierungen weltweit verweisen kann. Mit den NCN5140 Evaluierungsboards von onsemi wird die Entwicklung von zertifizierten KNX-Produkten erleichtert, denn sie bieten einen hervorragenden Ausgangspunkt für Schalteranwendungen (Abbildung 1).

Dieses System-in-Package (SiP) basiert auf dem NCN5140S und beinhaltet einen Arm Cortex-M0+ Mikrocontroller mit KNX Transceiver. Für die Entwicklung eines KNX-Knotens benötigt das SiP lediglich einen Filterkondensator, einen Tx-Widerstand und einen Fan-in-Widerstand, um das Stromprofil des Knotens zu definieren, das von der Twisted-Pair-Verdrahtung abgeleitet wird.

Das Evaluierungsboard ist in zwei Versionen mit acht Tasten erhältlich, wobei eine Version mit mechanischen Drucktasten und die andere mit (kapazitiven) Touchtasten arbeitet. Ein vorzertifizierter Anwendungscode steuert und dimmt die acht RGB-LEDs, mit denen die Tasten oder Touchpads beleuchtet werden können. Die Evaluierungsboards ermöglichen eine vollständig zertifizierte KNX-Schalteranwendung und bieten eine zertifizierte physikalische Schicht und einen KNX-Software-Stack für intelligente Beleuchtungs-, Rollladen-, Jalousie- und Lüftungssteuerungen.

Es werde Licht

Die Zeit der Glühlampen ist längst vorbei, und auch Leuchtstoffröhren sind weitgehend verschwunden. Stattdessen werden heute LEDs eingesetzt, die nicht nur eine hervorragende Beleuchtungsleistung bieten, sondern dank ihrer geringen Größe auch in zahlreichen neuen und innovativen Formen erhältlich sind. Für eine optimale Leistung ist jedoch ein hochwertiger Treiber erforderlich, der die gewünschten intelligenten Funktionen und die Langlebigkeit der Leuchte bietet. Der NCL31000 und sein Pendant, der NCL31001, bieten eine intelligente LED-Ansteuerung, die auch eine intelligente Lichtsteuerung und Innenraum-Positionierung unterstützt (Abbildung 2).

Im Mittelpunkt stehen hocheffiziente Dual-Synchron-LED-Treiber mit einer einstellbaren Schaltfrequenz von 44,4 kHz bis 1 MHz. Das PWM-Dimmen bis zum Nullstrom wird unterstützt. Zur Verbesserung der leitergebundenen EMV ist eine Spektrumsteuerung verfügbar. Mithilfe eines Strommesswiderstandes kann der Strom durch die Induktivität überwacht werden. Das ist Teil der messtechnischen Möglichkeiten dieser Geräte. Zu den weiteren Daten, die erfasst werden können, zählen interne Spannungen, Ströme und die LED-Spannung. Diese Informationen werden in Abständen von 100 ms abgetastet und können zusammen mit Status-, Warn- und Fehlerdaten an ein zentrales Gebäudemanagementsystem weitergeleitet werden. Der NCL31001 unterscheidet sich dadurch vom NCL31000, dass er nicht über die internen Zusatz- und 3,3-V-Abwärtswandler verfügt.

Die Kommunikation erfolgt je nach ausgewähltem Gerät über SPI oder I2C. Dies erleichtert den Einstieg in die Arbeit mit Mikrocontrollern. Das Evaluierungsboard NCL31000ASGEVB (Abbildung 3) ist ein Arduino-kompatibles Board, das LED-Strings mit bis zu 100 W unterstützt. Andere Mikrocontroller-Entwicklungsplattformen werden jedoch problemlos durch eine direkte Verbindung mit den SPI- oder I²C-Pins unterstützt.

Geräte verfolgen und überwachen

Das Aufspüren von Geräten ist vielleicht die größte Herausforderung für alle, die in Umgebungen mit gemeinsam genutzten Ressourcen arbeiten, wie z. B. in Krankenhäusern und Labors. Scheinbar genügt schon eine Kaffeepause, um diese Geräte „woanders“ einzusetzen. Für die Verfolgung von Geräten ist eine Funktechnologie erforderlich, die oft jahrelang mit einer einzigen Batterie betrieben werden kann. Hierfür stehen den Entwicklern zahlreiche Funktechnologien zur Verfügung, wie etwa Bluetooth Low Energy (BLE), die sich durch einen geringen Stromverbrauch im Batteriebetrieb auszeichnet.

Der RSL10 von onsemi ist ein hochintegrierter System-on-Chip, der speziell für die Anforderungen solcher Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch konzipiert ist und auch Bluetooth 5.2-Konnektivität bietet. Sein 2,4-GHz-Funk-Transceiver kann auch für andere drahtlose Low-Power-Protokolle verwendet werden. Der Chip verfügt über einen Arm Cortex-M3-Prozessor und hat einen Stromverbrauch von 50 nA im Tiefschlafmodus bzw. 300 nA mit 8 kB RAM-Speicher bei 1,25 V Batteriespannung. Die Firmware kann auch drahtlos (Over The Air, OTA) aktualisiert werden. Dieser Chip wurde bereits in verschiedenen Anwendungen zur Verfolgung von Geräten in Krankenhäusern eingesetzt, um den Diebstahl und das Anhäufen von Geräten zu verhindern (Abbildung 4). Dadurch kann das Personal bei der Suche nach medizinischen Geräten viel Zeit sparen. Dies trägt zu einer besseren Patientenversorgung und zu finanziellen Einsparungen bei. Wenn man dies mit maschinellem Lernen im Backend kombiniert, erhält man ein besseres Verständnis für die Anforderungen des Personals, die Auslastung der Geräte und die vorausschauende Wartung.

Stromversorgung über Ethernet

Für viele Anwendungen ist die drahtlose Übertragung die einzige Lösung, andere wiederum benötigen viel Strom, wie z. B. digitale Anzeigen für Konferenz- und Tagungsräume, PTZ-Kameras oder Beleuchtungssysteme. Bei Letzteren wird die Beleuchtungssteuerung mit Anwesenheitssensoren (z. B. PIR) kombiniert, um den Stromverbrauch zu reduzieren, indem das Licht in leeren Räumen ausgeschaltet wird. Über Power over Ethernet (PoE) können solche Geräte an Gebäudemanagementsysteme angeschlossen werden und liefern Energieüberwachungs- und Belegungsdaten, ohne dass eine lokale Stromversorgung erforderlich ist.

Für Powered Devices (PD), also für Geräte, die bei PoE Strom verbrauchen, bietet der NCP1095 von onsemi alles, was für die Entwicklung von IEEE 802.3af/at- und -3bt-konformen Geräten erforderlich ist. Er verfügt über Detektionssignatur, Classification Handshaking, Einschaltstrombegrenzung und Überstromschutz und eignet sich für Anwendungen mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 90 W. Auch Maintain Power Signature (MPS)-Pulse werden unterstützt, sodass Entwicklungsteams PoE-Knoten mit sehr geringem Standby-Stromverbrauch entwickeln können. Zur Reduzierung der Stückliste verfügt der NCP1095 über einen Pin zur Erkennung von Zusatzstromversorgungen. Dadurch lassen sich die Geräte mit einem separaten Netzteil einfach an Nicht-PoE-Netzwerke anschließen (Abbildung 5).

Bauträger und Architekten stehen unter dem Druck, energieeffiziente Gebäude zu bauen und die Gebäudeautomation unterstützt sie dabei. Die Gebäudeverwalter können dabei nicht nur den Stromverbrauch überwachen, sondern mit geeigneter Software auch ermitteln, wie weitere Effizienzsteigerungen erzielt werden können. Lösungen wie KNX und NCN5140S liefern die notwendige branchenweite Unterstützung und stellen sicher, dass der Standard für Lösungen von heute und die kontinuierliche Weiterentwicklung von morgen genutzt werden. LED-Treiber mit eingebauter Intelligenz und Überwachungsfunktion, wie z. B. der NCL31000/1, bieten die notwendigen Energieüberwachungsfunktionen, um Effizienzsteigerungen zu erzielen.

Gebäude werden immer intelligenter

Mit Low-Power SoCs wie dem RSL10 lassen sich teure Geräte in Gebäuden per Bluetooth überwachen. Das steigert die Effizienz der Nutzung und bietet einen besseren Einblick, wo Engpässe vorhanden sind. Und falls mehr Strom benötigt wird, ermöglicht der PoE-Baustein NCP1095 die Nutzung von Ethernet für die Stromversorgung und Datenübertragung.