Lighting Multifunktionale Lichtlösungen bequem via Netzwerk steuern

Autor / Redakteur: Klaus-Dieter Kern * / Margit Kuther

LEDs erlauben individuelle Lichtlösungen, geregelt etwa via Handy. Hinter der einfachen Handhabung verbirgt sich eine komplexe Steuerung. Diese zu realisieren, hilft etwa das Lightingteam von Silica.

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In der Architekturbeleuchtung etwa wächst das Interesse, nicht nur Helligkeit und Farbe an den jeweiligen Lichtbedarf anzupassen, sondern an einem Firmengebäude durch entsprechende Beleuchtung sowohl im Innen- als auch im Außenbereich die Wiedererkennbarkeit des Corporate Designs zu steigern. Kunden wünschen zudem vielfach weitere Szenarien wie die Darstellung eines Firmenlogos, Animationen oder wechselnde Motive.

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Durch eine Anbindung an Netzwerke ist die Steuerung von Gebäudebeleuchtungen theoretisch von jedem PC, aber auch von Smartphones oder Tablets möglich. Daraus resultiert die Frage nach einer möglichst flexiblen und effektiven Lichtsteuerung. Wer sich mit Lichtsteuerungen beschäftigt, kommt um Begriffe wie Konnex (KNX), Digital Serial Interface (DSI), Digital Adressable Lighting Interface (DALI) und Digital Multiplex (DMX) nicht umhin.

Lösungen für Gebäudelichtsteuerungen

Hausbusse wie KNX mit einem offenen Standard, der von mehr als 100 europäischen Firmen unterstützt wird, könnten für eine Lichtsteuerung in Frage kommen. Allerdings wird hier ein eigenes Bus-System benötigt. Eine nachträgliche Installation ist meist zu aufwändig und zu teuer.

DSI (Digital Signal Interface) ist ein Protokoll, das ursprünglich von Tridonic entwickelt wurde. Informationen werden über ein simples 8-Bit-Protokoll übertragen. Nachteilig ist, dass für jeden Kanal eine eigene Leitung benötigt wird. Basierend auf DSI wurde deshalb das Protokoll DALI (Digital Adressable Lighting Interface) entwickelt.

DALI ist eine der günstigsten Möglichkeiten, da hier mit einem 2-Draht-Bus ein 1200-Baud-Steuersignal übermittelt wird. Ein einfaches NYM-Kabel (5 x 1,5 mm²) reicht, um sowohl den Strom als auch die Steuersignale zum EVG zu senden. Gateways ermöglichen die Kombination mit KNX oder anderen Hausbussen. Allerdings ist DALI auf eine reine Ein-/Aus- und Dimmfunktion beschränkt. Eine weitere Einschränkung ist die Begrenzung auf max. 64 Einzelgeräte (Individualadressen), max. 16 Gruppen (Gruppenadressen) und max. 16 Szenen (Szenenlichtwerte).

Um die vorgenannten Einschränkungen umgehen zu können, bietet sich aus dem Showbereich DMX an, der dort als offener Standard bereits seit Jahren etabliert ist. DMX-512 ermöglicht die gleichzeitige Steuerung von Helligkeit (Dimmen), Farbwechsel und Bewegung, z.B. für sogenannte Moving Heads. Die Baudrate beträgt 250 Kbit/s – hoch genug, um zahlreiche Einzellampen zu steuern. Mit DMX-512 können 512 Kanäle, dies entspricht einem DMX-Universum, angesprochen werden.

Der elektrische Standard für DMX-512 ist RS-485. Die Datenübertragung erfolgt via UART-Protokoll (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). Eine nachträgliche Verkabelung ist auch hier sehr aufwändig, da an einem DMX-512-Bus max. 32 Receiver angeschlossen werden können. Dies erfordert zudem einen Repeater. Für Verzweigungen werden Splitter gebraucht. Auf Grund der hohen Datenrate wird für die Übertragung ein entsprechend geschirmtes Kabel mit 110 Ω Impedanz benötigt. Dadurch ist ein reines DMX-512-System für Architectural Lighting nur bedingt geeignet.

DMX-Informationen via Art-Net übertragen

Als Alternative könnte man die DMX-Informationen über IP-basierende Netzwerke übertragen, die in jedem modernen Gebäude verfügbar sind. Ethernet-Kabel sowie WLAN-Strecken für die Bürokommunikation stehen zumeist in allen Räumen zur Verfügung. Eine Anbindung an die einzelnen Leuchtelemente ist dann mit einem nur geringen Aufwand möglich. Selbst Video Applikationen sind damit machbar. Daraus resultierend stellt sich die Frage nach einer Kopplung der Steuergeräte mit den Leuchtelementen.

Als Lösung bietet sich Art-Net an. Art-Net ist ein IP-basierendes Protokoll zur Übertragung von DMX-Informationen oder sonstigen Nutzerdaten über Standard-Netztechnologien. Das beinhaltet kostengünstige bedrahtete oder drahtlose Netzwerkstrukturen. Dabei können theoretisch 32.786 DMX-Universen angesteuert werden, was 16 Mio. DMX-Kanälen entspricht. Zukünftigen Erweiterungen sind damit keine Grenzen gesetzt. Die Spezifikation Art-Net wurde von der Firma Artistic Licence erstellt und ist frei verfügbar.

Vereinfacht kann man sich das aus physikalischer Sicht so vorstellen, dass in Teilen des Übertragungsweges die DMX-Kabel durch Ethernetkabel oder WLAN-Strecken ersetzt werden. Damit benötigt man am PC keinen klassischen DMX-Transmitter mehr, da die Signale über einen IP-Port gesendet werden. Ein weiterer Vorteil ist die bi-direktionale Kommunikation für Rückmeldungen. Die Datenübermittlung erfolgt über den verbindungslosen Übertragungsdienst UDP (User Datagramm Protocol).

Da vor Übertragungsbeginn nicht erst eine Verbindung aufgebaut werden muss, kann schneller mit dem Datenaustausch begonnen werden. Zusätzlich ermöglicht UDP eine Integritätsüberprüfung, indem eine Prüfsumme mitgesendet wird. Dadurch kann eine fehlerhafte Übertragung erkannt werden. Für die Übertragung des UDP wird das Internet Protokoll (IP) verwendet.

Das Lightingteam von Silica bietet technische Hilfe

Die Implementierung eines Art-Net-Protokolls in einem Leuchtmittel oder in einem Zubehörgerät, etwa einem Art-Net Node (Art-Net zu DMX-Konverter) stellt gewisse Anforderungen an die Hardware: Einen TCP/IP-fähigen Mikrocontroller mit genügend Performance, um die TCP/IP-Kommunikation zu handhaben. Dadurch können kontinuierlich mehrere DMX-Universen gesendet oder bei direkter Ansteuerung mehrere PWM-Ausgaben generiert werden, wobei die Anforderungen je nach Anwendung variieren.

Das technische Lightingteam der Silica hilft bei der Implementierung dieses Protokolles sowie bei der Auswahl der entsprechenden Hard- und Software. Außerdem stehen den Applikationsingenieuren Demos für ARM-Cortex-M-Architekturen zur Verfügung. Bekannte Mikrocontroller-Hersteller wie NXP, STMicroelectronics und Texas Instruments bieten Controller, die bereits mit einer MAC ausgestattet sind und mit entsprechenden TCP/IP-Demos und kostenfreien Stacks ausgeliefert werden.

Die wohl am häufigsten eingesetzten Stacks sind lwip oder µIP. Beide unterstützen eine UDP-Kommunikation. Somit muss sich ein Entwickler nicht erst mit dem TCP/IP-Protokoll beschäftigen, sondern kann dieses nutzen und sofort das Art-Net-Protokoll aufsetzen. Wird eine entsprechende Stringfolge empfangen, werden die zugehörigen Dimmerdaten ausgefiltert und weiter verarbeitet.

Zur Konfiguration eines Art-Net-fähigen Gerätes benötigt man einige Einstellmöglichkeiten am entsprechenden Gerät. Diese Einstellungen können in der einfachsten Version über einfache DIP-Schalter oder in einer fortschrittlicheren Version selbst über TCP/IP und einer eingebetteten Website vorgenommen werden. Bei diesen Einstellungen handelt es sich z.B. um die IP-Adresse oder Einstellungen des DMX-Universums.

Art-Net lässt sich auch dazu verwenden, einzelne Lampen direkt anzusteuern. In diesem Fall können günstige Art-Net Nodes mit integriertem DMX-Decoder direkt in einem einzigen Microcontroller realisiert werden. Auf der Hostseite gibt es bereits eine Vielzahl von Anwendungen, etwa für Windows und Apple. Auch etliche Apps unterstützen das Art-Net-Protokoll. Somit eignet sich dieses Protokoll für alle Bereiche der Beleuchtung. Selbst einzelne Lampen lassen sich dann bequem vom Sofa aus mit dem iPhone über das heimische WLAN regeln.

* * Klaus-Dieter Kern... ist Senior Account Manager Silica Lighting

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