Tradițional, iluminatul artificial era folosit doar pentru a ilumina interiorul întunecat al unei clădiri. Deși aceasta va fi întotdeauna funcția sa principală, cerința de a face clădirile “inteligente” a dus la o regândire a iluminatului, astfel încât acesta să fie utilizat mai eficient. Articolul analizează felul în care rețeaua Bluetooth mesh a activat aplicațiile de iluminat inteligent și beneficiile suplimentare pe care le vor aduce cele mai recente versiuni ale standardului. De asemenea, articolul prezintă un kit de dezvoltare de la Silicon Labs, care poate fi utilizat pentru a pune rapid în funcțiune o soluție de iluminat inteligent cu rețea Bluetooth mesh.
Raționamentul pentru iluminatul inteligent
Iluminatul interior este o cerință vitală în clădiri – în lipsa acestuia, părți mari din interiorul unei clădiri devin fie temporar (după lăsarea întunericului), fie complet inutilizabile. Iluminatul poate reprezenta până la 40% din costurile de energie pentru funcționarea unei clădiri. O cantitate semnificativă din această energie este irosită prin utilizarea becurilor pentru a ilumina zone care nu sunt utilizate sau care nu necesită acest lucru, deoarece lumina ambientală este suficientă. Se estimează că utilizarea senzorilor pentru gestionarea mai eficientă a luminii reduce costul acesteia cu peste 30%. Utilizarea unei asemenea abordări a iluminatului aduce și alte avantaje; de exemplu, permite reglarea luminozității și a culorii pentru a crea spații mai confortabile și mai productive pentru persoanele aflate în clădire.
Figura 1: Componentele unui sistem de iluminat inteligent. (© Silicon Labs)
Impactul asupra mediului generat de această risipă de energie atrage tot mai mult atenția asupra introducerii unor reglementări, cum ar fi Title 24 din California, care prevede includerea în corpurile de iluminat și în întrerupătoare a senzorilor de prezență și de lumină ambientală pentru a asigura o utilizare cât mai eficientă a iluminării interioare. Însă costul instalării de noi cabluri de rețea pentru a controla senzorii găzduiți în corpurile de iluminat și întrerupătoarele inteligente face ca această abordare să fie nerealistă pentru clădirile existente, astfel încât conectivitatea wireless este cea mai bună opțiune.
Această abordare mai puțin costisitoare oferă în plus alte câteva avantaje, inclusiv o implementare rapidă și o reconfigurare ușoară. De asemenea, comunicația wireless permite utilizarea infrastructurii de iluminat în alte scopuri, inclusiv localizarea persoanelor aflate în interiorul clădirii, urmărirea activelor, colectarea de date pentru întreținere preventivă, o mai bună utilizare a spațiului și implementarea unor planuri de iluminat mai eficiente. În plus, senzorii wireless găzduiți în corpurile de iluminat ar putea fi, de asemenea, intrări pentru alte sisteme inteligente de control al clădirii, cum ar fi încălzirea și aerul condiționat. Principalele componente ale unui sistem de iluminat inteligent sunt prezentate în figura 1.
Bluetooth mesh a fost proiectată pentru aplicații inteligente
O tehnologie de comunicații fără fir pentru iluminatul inteligent trebuie să fie fiabilă, receptivă, sigură și scalabilă. Pentru proiectantul de aplicații wireless, sarcina de a susține operațiuni multicast cu grupuri de dispozitive poate fi deosebit de dificilă. Luați în considerare, de exemplu, un întrerupător de lumină wireless care comandă mai multe corpuri de iluminat. Fiecare bec trebuie să se aprindă simultan (cu o întârziere imperceptibilă) atunci când se apasă butonul. Acest lucru este dificil de realizat, în special atunci când pereții și alți factori de mediu pot atenua sau interfera cu semnalele și devine și mai dificil atunci când se utilizează un comutator cu variator de intensitate. Unele tehnologii fără fir, proiectate inițial pentru cazuri de utilizare mai simple, cum ar fi termostatele inteligente, pot întâmpina dificultăți în a îndeplini aceste cerințe. Totuși, tehnologia Bluetooth mesh a fost creată pentru a suporta aceste caracteristici, ceea ce o face ideală pentru aplicațiile de iluminat inteligent:
- Conectivitate pentru telefoane inteligente: Simplificarea punerii în funcțiune și a întreținerii
- Gateway-uri opționale: Bluetooth mesh elimină cerința pentru gateway-uri, care pot fi dificil de construit și întreținut.
- Selecție de profiluri predefinite: Zonele și orarele de lucru sunt încorporate în nodurile individuale.
- Scalabilitate și securitate: Suportă până la mii de noduri cu două niveluri de securitate și confidențialitate încorporate.
- Extindere și flexibilitate: Simplificarea adăugării de noduri, împărțirea acestora în funcție de cerințele de spațiu sau reconfigurarea lor în funcție de preferințele utilizatorului.
- Servicii cu valoare adăugată: Permit utilizarea corpurilor de iluminat ca balize pentru alte aplicații, cum ar fi identificarea direcției, numărarea persoanelor și localizarea ocupanților.
Bluetooth mesh 1.1 aduce beneficii suplimentare
Cea mai recentă actualizare a protocolului Bluetooth mesh – versiunea 1.1 va aduce îmbunătățiri suplimentare aplicațiilor inteligente, printre care:
Actualizarea firmware-ului dispozitivului (DFU – Device Firmware Update)
Funcția DFU a Bluetooth mesh adaugă o modalitate standard de actualizare a firmware-ului pe nodurile rețelei. Funcționalitatea sa include verificarea disponibilității actualizărilor de firmware, achiziționarea de imagini binare, distribuirea codului firmware, actualizarea nodurilor selectate și coordonarea actualizărilor la noduri. În plus, caracteristica DFU utilizează o funcție multicast de distribuire a firmware-ului, care permite distribuirea simultană a unei singure imagini de firmware către mai multe dispozitive, reducând substanțial efortul manual necesar pentru a menține rețeaua actualizată.
Provizionare de la distanță (RPR – Remote Provisioning)
Cu Bluetooth mesh 1.0, fiecare nod care urmează să fie provizionat trebuie să se afle în raza de acțiune a dispozitivului de provizionare; Bluetooth mesh 1.1 dispune de RPR care provizionează și configurează rețeaua prin intermediul unui nod proxy, eliminând cerința de a se afla în raza de acțiune a emițătorului dispozitivului de provizionare. RPR asigură o configurare mai rapidă și mai simplă a rețelei prin provizionarea dispozitivelor cu mai multe hopuri, ceea ce permite provizionarea nodurilor prin rețeaua mesh, reducând astfel timpul și costurile de instalare pentru rețelele mari. De asemenea, caracteristica ‘plug and play’ a RPR detectează automat modificările aduse structurii fizice și stării ulterioare a structurii mesh și actualizează starea datelor structurii active pentru a reflecta aceste modificări. Astfel, se evită cerința de a reseta, reproviziona și reconfigura un dispozitiv.
Punți de subrețele
În Bluetooth mesh 1.0, subrețelele erau complet izolate unele de altele. Bluetooth mesh 1.1 remediază acest neajuns cu ‘subnet bridging’, permițând comunicarea între dispozitive din subrețele diferite. Punțile subrețelelor retransmit traficul între subrețele diferite. Planificatorul rețelei trebuie să selecteze în prealabil nodurile de punte. Aceste noduri stochează tabele de punte care conțin chei de rețea (NWK), adrese de dispozitive din ambele subrețele și informații despre direcția în care poate circula traficul (figura 2). ‘Subnet Bridging’ permite comunicația fără întreruperi între diferite subrețele fără a compromite caracteristicile de securitate care sunt furnizate de obicei prin utilizarea subrețelelor și a izolării.
Figura 2: Bluetooth mesh v1.1 dispune de funcția ‘subnet bridging’ (punți de subrețele). (© Silicon Labs)
Provizionare pe bază de certificat (CBP – Certificate-Based Provisioning)
Provizionarea permite unui dispozitiv să facă parte dintr-o rețea prin furnizarea de chei de securitate pentru rețea și aplicații. Bluetooth mesh 1.1 CBP introduce o nouă metodă care utilizează certificate în timpul provizionării pentru a autentifica dispozitivele care sunt adăugate la rețea. Certificatele X.509 sunt stocate fie în cloud, fie la furnizor și conțin cheia publică a nodului și ID-ul unic al utilizatorului (UUID) semnat de o autoritate de certificare (CA) sau de un furnizor de dispozitive. În plus, fiecare nod are o cheie privată unică ce corespunde cheii publice din certificatele X.509, iar acestea ar trebui să fie stocate într-un mediu de stocare securizat (nu în memoria flash). Ca parte a procesului de provizionare, ‘Provisioner’ obține certificatul de la nod, îl validează și apoi dispozitivul este adăugat în rețea. Ca urmare, CBP oferă o schemă de autentificare superioară și permite punerea în funcțiune în masă, în special atunci când este combinată cu RPR.
Redirecționare dirijată
Bluetooth mesh 1.0 a introdus inundarea dirijată, care pune la dispoziție mai multe căi pentru ca un mesaj să ajungă la anumite destinații; aceasta este o metodă practică, fiabilă și care necesită puțină întreținere pentru livrarea mesajelor. Cu toate acestea, în anumite configurații specifice, inundarea dirijată a dus la o cale ineficientă de transmitere a mesajelor. Bluetooth mesh 1.1 introduce o funcție de redirecționare dirijată (figura 3) pentru a îmbunătăți scalabilitatea rețelei, adăugând tipuri de noduri de redirecționare dirijată, modele de configurație de redirecționare dirijată, căi și benzi pentru livrarea optimizată a mesajelor, precum și modalități de creare, întreținere și validare a căilor (paths) și a benzilor (lanes).
Figura 3: Redirecționarea dirijată (orientată). (© Silicon Labs)
Balize private
Nodurile dintr-o rețea mesh Bluetooth pot acționa ca balize și pot transmite informații statice despre datele dispozitivului, locație sau informații despre puncte de interes. Informațiile statice necriptate prezintă riscuri de confidențialitate, permițând urmărirea rețelei în sine, a dispozitivelor dintr-o rețea sau a utilizatorilor de dispozitive. Bluetooth mesh 1.1 criptează informațiile statice pentru a preveni riscurile de confidențialitate în timpul transmisiei de date. Datele sunt criptate folosind PrivateBeaconKey, derivată din cheia principală a rețelei și un număr aleator de 13 octeți. Adresele dispozitivelor Bluetooth se schimbă periodic pentru a asigura ofuscarea datelor, astfel încât informațiile să poată fi decriptate numai de nodurile care fac parte din rețea. Baliza privată asigură că dispozitivele sau utilizatorii acestor dispozitive dintr-o rețea nu pot fi urmăriți cu ajutorul informațiilor statice conținute într-un mesaj de baliză.
Implementați rapid o soluție de iluminare inteligentă printr-o rețea Bluetooth mesh
Figura 4: EFR32xG24 +10 dBm Pro Kit. (© Silicon Labs)
Kitul wireless Blue Gecko Blue Gecko Bluetooth SoC de la Silicon Labs este o soluție rapidă și ușoară pentru a începe evaluarea și dezvoltarea aplicațiilor de iluminat prin rețea Bluetooth. Acesta dispune de EFR32xG24 +10 dBm Pro Kit (Figura 4) și include stive software Zigbee și Thread, mostre de cod și un adaptor pentru depanare Kitul include, de asemenea, suport pentru Bluetooth low energy (LE). Plăcile radio multiple permit dezvoltatorilor să creeze o rețea mesh în timp ce evaluează beneficiile sistemului pe cip (SoC) EFR32MG și ale modulelor auxiliare. Cu suita de instrumente Simplicity Studio, dezvoltatorii pot explora, de asemenea, avantajele dezvoltării grafice a aplicațiilor wireless, depanarea rețelelor mesh și urmărirea pachetelor, precum și profilarea și optimizarea vizuală a energiei.
Concluzie
Rețeaua Bluetooth mesh a fost proiectată pentru a permite aplicații cum ar fi iluminatul inteligent, dar a avut deficiențe care au crescut complexitatea instalării și reconfigurării rețelei. Bluetooth mesh 1.1 a introdus diverse caracteristici care au depășit aceste probleme, făcând aplicațiile de iluminat inteligent mai simple, mai scalabile și mai sigure.
Autor: Aashish Chaddha, Product Marketing Manager