E-FIELD Lighting Controller

In questo articolo della Rubrica Firmware Reload vi parlerò delle proposte innovative di Freescale per il dimming.

Introduzione

Citando la presentazione dell’E-Field Lighting Controller sul sito della Freescale, si legge: "In futuro, gli interruttori meccanici per il controllo dell’illuminazione saranno qualcosa del passato", infatti, ad oggi la diffusione di sensori touch capacitivi di prossimità sta sempre più prendendo piede. Indipendentemente se essi siano "slider" lineari o circolari, questi offrono comunque molti vantaggi nelle applicazioni per il controllo dell’illuminazione casalinga, perché sono convenienti da usare non avendo parti mobili che si usurano, sono molto efficienti da un punto di vista energetico e sono facili da integrare in un sistema di rete domestica. Freescale Semiconductor dimostra questi e altri vantaggi implementando una soluzione che combina uno slider circolare (associato a un sensore di prossimità) con un modulo ZigBee® SMAC (Simple Media Access Controller) per il controllo wireless di varie prese intelligenti e la gestione del dimming di lampadine a incandescenza standard, fornendo in dettaglio tutto il materiale del caso, incluso hardware e software come schematici, bill of material, file gerber per i PCB e altro ancora. Ma analizziamo il sistema nel dettaglio.

SYSTEM OVERVIEW

L’illuminazione domestica mediante lampade o lampadine ad oggi è uno standard, ma Freescale offre una soluzione innovativa e di comfort aumentando/ migliorando le caratteristiche di tale applicazione. In Figura 1 è riportato il sistema completo proposto da Freescale, in cui si distinguono principalmente due parti: “Switch intelligenti” (SI) che possono sostituire i classici interruttori a muro (ne è visibile uno al centro della Figura 1), generando la funzione di dimming sulla fase dell’AC (Alternating Current - corrente alternata).

Figura 1: System Overview

L’interfaccia di controllo è un pannello senza contatto (mediante l’uso di campo elettrico - E-field contactless) con la possibilità di scegliere tra varie forme di elettrodi. Questi SI possono tranquillamente gestire quattro prese intelligenti mediante un trensceiver radio a bassa potenza nella banda IMS dei 2.4 GHz utilizzando il SMAC basato sullo Zigbee™. Prese intelligenti (PI) che sostituirebbero le classiche prese da muro e gestendo direttamente l’AC, effettuano un dimming della luce delle lampade standard o di dispositivi a esse direttamente collegati. Freescale fornisce una flessibilità aggiuntiva rendendo disponibili queste prese in due implementazioni differenti: presa a muro (ne sono visibili tre sul lato sinistro della Figura 1) e adattatore da collegare a muro (ne sono visibili tre sul lato destro della Figura 1).

Per meglio comprendere l’architettura di sistema si faccia riferimento alla Figura 2, in cui sono presenti gli schemi a blocchi di entrambe le parti sopraelencate. L’applicazione utilizza un concetto stand-alone, nella scheda di controllo principale, il modulo SI, è presente un microcontrollore per la gestione del sistema e un sensore E-Field come interfaccia verso l’esterno. Perciò, le prese intelligenti sono controllate dallo switch intelligente che fornisce l’interfaccia di controllo (Control Panel). Le schede sono alimentate direttamente dalla rete AC e le funzionalità dei moduli possono essere modificate tramite il software e la configurazione hardware sul PCB. Di tutto questo sistema si può affermare che uno dei vantaggi principali è la comoda interfaccia di controllo realizzata in tecnologia E-Field. Gli elettrodi sono situati sotto il pannello a sfioramento e sono visibili come blocco funzionale in Figura 2 (nella parte alta degli switch intelligenti, contrassegnati con i numeri da 1 a 5), in cui è anche riportato il blocco funzionale d’interfaccia interna verso il microcontrollore (E-field interface).

Le forme (a scorrimento o circolari) e le posizioni di questi elettrodi possono essere completamente personalizzate in base alle esigenze. L’altro grande vantaggio è la comunicazione senza fili RF (Radio Frequenza). Il modulo Zigbee è comune sia agli SI che alle PI (in Figura 2 blocco verde) e fornisce molte possibilità per la realizzazione della rete wireless. Un dispositivo può comunicare a un livello peer-to-peer con altri dispositivi, come "master" quando si controllano più dispositivi contemporaneamente, oppure mediante un livello gerarchico “slave”. Nella sottorete, i dispositivi sorgente o destinatari possono essere definiti nell’intestazione del pacchetto di protocollo e tutto dipende dalla gestione del protocollo individuale, facilmente configurabile dall’utilizzatore finale. Il ricetrasmettitore SMAC basato su Zig- Bee opera nella banda di frequenza da 2,4 GHz ISM, che garantisce la non interferenza con le apparecchiature di casa standard. Inoltre, la scheda può essere utilizzata come una piattaforma hardware per lo sviluppo software.

A questo scopo, la scheda è equipaggiata con l’interfaccia di programmazione DBM (Debug Background Mode). Questo strumento permette alla memoria MCU (microcontrollore) di essere riprogrammata facilmente in-circuit. In Figura 2 per entrambi i moduli si distinguono: il blocco del "Mains Input" che corrisponde alla gestione in ingresso dell’AC; il blocco del "Dimmer Socket/Output" che riguarda l’interfaccia di uscita per la gestione lampade o device esterni e infine “TRIC/Fet Control” relativo al blocco per la generazione del dimming. I maggiori vantaggi di questa soluzione proposta da Freescale sono:

Ridotto consumo di energia e cost saving
Eliminata la necessità di acquisto di lampade costose
Ridurre il numero di volte in cui è necessario cambiare le lampadine
Facilità di adattare il software alle varie lampade, indipendentemente dalla loro potenza
Il dimmer supporta tensioni di 230Vac/50Hz e 115Vac/50Hz
Facilità di ri-programmare il comportamento del sistema mediante software semplifica l’hardware
L’interfaccia di controllo E-field senza contatto offre varie possibilità di materiali per il design della cover frontale
Interfaccia di controllo completamente variabile (numero, dimensioni, forme degli elettrodi E-Field)
Apertura verso l’innovazione

Per una maggiore comprensione, prima di addentrarci nella trattazione delle varie parti del sistema, analizziamo brevemente la teoria di funzionamento del dimming e il funzionamento dei control panel.

Figura 2: Blocchi funzionali del sistema

TEORIA DI FUNZIONAMENTO: IL DIMMING

In generale, le varie stanze di una casa sono usate per diverse funzioni che possono richiedere differenti quantità di luce e mediante il dimming si riescono a regolare i livelli di luce di una lampadina, da quasi buio a completamente illuminata, semplicemente ruotando una manopola o attraverso lo scorrimento di un controller. Esistono varie tipologie di circuiti per il dimming ma in generale le vecchie configurazioni deviavano l’energia della lampada in un resistore variabile, mentre quelli moderni spengono e accendono rapidamente il circuito d’illuminazione per ridurre la quantità totale di energia che fluisce attraverso la lampada, il tutto realizzato e concepito direttamente per la corrente alternata (AC). In Figura 3 è riportato il funzionamento concettuale di tali sistemi; come si può notare, i nuovi dispositivi automaticamente spengono la luce della lampadina ogni volta che la direzione della corrente si inverte e la tensione attraversa lo zero (quindi due volte per ciclo e cento volte al secondo), riaccendendole quando il valore di tensione (turn-on) risale oltre una certa soglia prestabilita.

Figura 3: Funzionamento del processo switching mediante Triac

Tale valore dipende dalla posizione dell’interfaccia di controllo (esempio, la manopola), infatti, nel caso in cui è rivolta maggiormente verso l’impostazione di alta luminosità, lo "switch on" visibile nella figura precedente è molto vicino all’attraversamento dello zero da parte della tensione e quindi il circuito rimarrà acceso per la maggior parte del tempo fornendo alla lampadina una maggiore energia; mentre nel caso in cui l’interfaccia di controllo è rivolta maggiormente verso un’impostazione di bassa luminosità, lo "switch on" sarà più distante dallo zero e la lampadina rimarrà spenta per un tempo maggiore rispetto al precedente. L’implementazione di questo funzionamento nei circuiti odierni viene realizzata mediante l’utilizzo di un Triac, per controllare il flusso delle lampadine in modo tale che vi possa entrare solo la parte d’interesse dell’onda AC con cui è sincronizzato un segnale PWM (Pulse Width Modulation).

Oltre al Triac è possibile utilizzare un MOSFET con caratteristiche migliori e più sofisticate rispetto al precedente, infatti, esso non chiude il suo canale quando si ha l’attraversamento dello zero (la tensione commuta) ma il tutto dipende soltanto dal controllo della sua tensione di "Gate". Questo è un vantaggio non da poco per realizzare varie opzioni switching, tuttavia, quando viene usato un simile dispositivo per un circuito di dimming, spesso richiede speciali capacità di sincronizzazione con la tensione regolata e quindi circuiti più complicati; in aggiunta, il MOSFET è anche spesso più costoso di un Triac, perciò generalmente è preferibile utilizzare il Triac.

TEORIA DI FUNZIONAMENTO: IL CONTROL PANEL

Pannelli di controllo, elettrodomestici, macchinari pesanti, controlli d’illuminazione e tutto ciò che ha pulsanti richiede una sorta di interazione umana per operare; tradizionalmente, i pulsanti sono costituiti da interruttori meccanici che possono deteriorarsi e diventare meno affidabili nel tempo. Gli integrati della Freescale MC34940/MC33794 per la rilevazione del campo elettrico offrono un’alternativa ai pulsanti meccanici. I Circuiti Integrati (IC) MC34940/MC33794 contengono la circuiteria necessaria per generare un campo elettrico a bassa intensità e misurare il suo perturbamento causato da oggetti in movimento dentro e/o fuori da esso.

Questo è l’ideale per le applicazioni che desiderano un rilevamento senza contatto, una rilevazione di prossimità ed "E-field imaging" tridimensionale. Questi IC hanno il supporto per un microcontrollore e 7-9 elettrodi, che possono essere utilizzati indipendentemente per determinare la dimensione o la posizione di un oggetto in un campo elettrico debole. Poiché hanno la capacità di rilevare il tocco o la prossimità attraverso una superficie isolata e senza un contatto elettrico diretto con elettrodi metallici, il problema di usura, contaminazione e corrosione viene totalmente eliminato. L’integrato MC33794 è destinato all’uso nel rilevamento di oggetti, utilizzando un campo elettrico. Il suo principio di funzionamento è riportato in Figura 4, nella quale si nota come tale IC genera un’onda sinusoidale a bassa frequenza radio, che è impostata da una resistenza esterna ed è ottimizzato per 120 kHz. L’onda sinusoidale ha un basso contenuto di armoniche per ridurre le potenziali interferenze a frequenze più alte e armonicamente connesse. Il generatore interno produce 5V di uscita di picco-picco nominale che viene fatta passare attraverso una resistenza interna di circa 22k.

Figura 4: Principio di funzionamento

Un multiplexer interno instrada il segnale a uno dei vari morsetti (terminali d’ingresso), simultaneamente un multiplexer in ricezione, collegato con l’elettrodo invia il suo segnale verso un detector che converte un segnale sinusoidale in un segnale continuo (DC). Questo livello DC è filtrato da un condensatore esterno e viene modificato/condizionato per aumentarne la sensibilità, mentre tutte le altre uscite degli elettrodi sono poste a massa dal dispositivo. L’ampiezza e la fase dell’onda sinusoidale dell’elettrodo sono modificate da oggetti in prossimità degli elettrodi. Un condensatore (come una piastra che contiene carica elettrica) si forma tra l’elettrodo e l’oggetto. La tensione misurata è una funzione inversa della capacità tra l’elettrodo da misurare, gli elettrodi circostanti e altri oggetti nel campo elettrico che circonda l'elettrodo (aumentare il valore capacitivo significa diminuire la tensione). Mediante tale tecnica viene rilevata e interpretata la presenza di un oggetto (o del corpo umano) che perturba lo stato del sistema.

SWITCH INTELLIGENTI

Dalla Figura 5 si può subito comprendere come gli interruttori intelligenti possono essere divisi in due blocchi:

Centralina elettronica
Touch panel

Figura 5: Diagramma a blocchi dello switch intelligente

Il secondo blocco non è altro che la board relativa agli elettrodi, visibile in una sua implementazione in Figura 6, in cui si può notare anche il connettore di collegamento verso la centralina. Mentre per quanto riguarda il primo blocco, questo è il cuore di tutto il sistema e da Figura 5 si possono vedere le maggiori funzionalità interne e le loro interconnessioni. Come ben si comprende, tutto ruota intorno all’integrato MC13213, contenente un microprocessore a 8-bit della famiglia S08 e un modulo wireless Zigbee 802.15.4, tutto in un singolo package. Immediatamente sotto tale blocco distinguiamo quello per la gestione delle lampade mediante il Triac e accanto a quest’ultimo il blocco delle alimentazioni, che genera una tensione di 3.3V per l’alimentazione dell’integrato MC13213 e i 12V per MC33794 che si occupa della gestione relativa del touch panel. Infine, il sistema prevede un’antenna su PCB per il modulo RF. La Figura 7 riporta il "Top" di tale scheda in cui sono visibili i componenti e gli integrati che realizzano le funzioni fino ad ora analizzate. Risaltano subito il blocco dell’alimentazione switching (in alto), il microprocessore MC13213 e l’antenna su PCB per le comunicazioni wireless. In Figura 8 invece, è riportato il "Bottom" in cui è presente il connettore di riprogrammazione in-circuit (DBM), l’integrato MC 33794 per la gestione del touch panel e l’AC power/dimming connector.

Figura 6: Vista TOP e BOTTOM board touch panel

Figura 7: Vista TOP della board SI

Figura 8: Vista BOTTOM della board SI

PRESE INTELLIGENTI

Il principio di funzionamento è riportato in Figura 9, da cui si evince che la presa intelligente è molto semplificata rispetto allo switch intelligente che, invece, controlla tutto il sistema e gestisce l’interfaccia con il mondo esterno mediante il touch panel. Di prese intelligenti ne esistono di due tipi, riportate in Figura 10 e Figura 11. Le differenze tra queste due tipologie sono minime e l’esigenza di questa duplice implementazione è stata dettata dalla possibilità di fornire due "case" differenti (visibili in Figura 1) da poter utilizzare in ambiti diversi come è stato analizzato all’inizio di questo articolo. In entrambe le board sono presenti i blocchi funzionali della Figura 9, infatti, si nota l’integrato MC13213 per le comunicazioni e la gestione della scheda collegato all’antenna, i componenti per l’alimentazione e per il dimming ma anche il connettore di programmazione. Una cosa interessante da notare è la presenza del connettore AC per le alimentazioni.

Figura 9: Diagramma a blocchi della presa intelligente

Figura 10: TOP e BOTTOM versione 1 della PI

Figura 11: TOP e BOTTOM versione 2 della PI

CONCLUSIONI

Come visto fino ad ora, i vantaggi di tale architettura e di questa implementazione sono molteplici, mediante il sistema (hardware/software) appena analizzato di Freescale, si possono gestire facilmente illuminazioni domestiche con un occhio di riguardo verso i consumi. In aggiunta a tutto questo, c’è la comodità di avere un sistema wireless centralizzato e gestibile comodamente con un’interfaccia touch.