Tecnologia PoE (Power over Ethernet) ed edifici “intelligenti”: 1a parte

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PoE (Power over Ethernet) fa esattamente ciò che il suo nome suggerisce: fornisce potenza – sufficiente per i dispositivi di piccole dimensioni – sfruttando gli stessi cavi utilizzati per il trasferimento dati. Questa tecnologie viene ampiamente utilizzata negli edifici “intelligenti” dove, grazie ai bassi valori delle tensioni in gioco, non si applicano le normali regole di sicurezza elettrica valide invece per la rete di alimentazione elettrica. Da qui si evince uno dei motivi per cui la tecnologia PoE risulta così apprezzata dagli utilizzatori: grazie a essa è possibile ridurre in modo significativo le spese legate all’installazione e alla certificazione di conformità.

Poichè in molti palazzi che ospitano uffici sono già presenti cablaggi Ethernet nell’intera struttura e sono previsti gruppi di continuità (UPS  – Uninterruptible Power Supply) alimentati da batterie di backup, è possibile implementare sistemi robusti in modo estremamente semplice. Nel caso si decidesse di aggiungere in tempi successivi apparecchiature, è possibile utilizzare i cavi già installati per fornire potenza a dispositivi quali sistemi di illuminazione e telecamere di sicurezza. La potenza può essere erogata attraverso  un cavo Ethernet a dispositivi posti fino a una distanza di 100 metri dall’apparecchiatura Ethernet che supporta la tecnologia PoE.

PoE per alimentare gli edifici intelligenti: i vantaggi

Uno dei benefici più evidenti correlati all’adozione della tecnologia PoE è legato alla possibilità di trasportare la potenza in corrente continua (DC power) sfruttando le connessioni Ethernet esistenti. Anche se è necessario aggiornare i commutatori (switch) di rete con porte in grado di supportare la tecnologia PoE, il vantaggio in termini economici di non dover eseguire ulteriori cablaggi in rame per il dispositivo alimentato può risultare significativo. A questo punto è utile ricordare che il prezzo del rame è passato dai 0,65 dollari per libbra del 2000 agli attuali 4,05 dollari per libbra (fonte: macrotrends). Ulteriori risparmi possono essere ottenuti nel caso in cui non sia richiesta la conversione AC/CC per il dispositivo alimentato.

La tecnologia PoE garantisce inoltre un elevato livello di flessibilità di posizionamento dei dispositivi alimentati. La maggior parte delle prese elettriche della rete in AC sono ubicate a poca distanza dal pavimento, che non è certo la posizione ideale per punti di accesso (AP – Access Point) Wi-FI^®, femtocelle e picocelle e telecamere. Al fine di ottimizzare la copertura è sicuramente consigliabile di non posizionare questi dispositivi nei pressi di ostacoli di sorta, il che significa che la loro collocazione ideale è all’altezza del soffitto. A differenza di quelli della rete elettrica, i cavi Ethernet sono spesso instradati attraverso gli spazi vuoti che si creano nei controsoffitti, rimuovendo in tal modo un’altra barriera all’adozione della tecnologia PoE.

La possibilità offerta dalla tecnologia PoE di abbinare potenza e dati consente di effettuare il controllo e il monitoraggio continui (24/7) di una molteplicità di dispositivi, tra cui apparecchi di illuminazione, telecamere di sicurezza e apparecchi utilizzati per la cartellonistica digitale (digital signage). Le reti PoE centralizzate equipaggiati con UPS alimentati a batteria assicurano la continuità del funzionamento di apparecchiature critiche quando si verificano interruzioni della corrente.

Fig. 1 – I vantaggi dell’utilizzo della tecnologia PoE negli edifici “intelligenti”

Applicazioni negli edifici “intelligenti” e standard PoE

Il primo standard PoE (IEEE 802.3af) è stato ratificato nel 2003 e prevedeva l’erogazione massima di una potenza pari a 15 W. Esso è stato utilizzato su larga scala in applicazioni quali telefonia IP e controllo degli accessi agli edifici, oltre che per alimentare i punti di accesso Wi-Fi distribuiti di prima generazione. Con le successive revisioni dello standard, tra cui IEEE 802.3at (30 W/2009) e IEEE 802.3bt (90W/2018), è aumentata la potenza erogata per consentire il supporto di applicazioni più impegnative quali reti Wi-Fi veloci, telecamere di sicurezza, altoparlanti, POS (Point Of Sale), illuminazione a LED e altre ancora. Nella figura 2 sono riportate le varie revisioni dello standard PoE e le relative applicazioni.

Fig. 2: Le diverse versioni dello standard PoE e le relative applicazioni

Topologia PoE

Una tipica topologia PoE è riportata in figura 3. Il commutatore (switch) della rete PoE, denominato PSE (Power Sourcing Equipment), fornisce la potenza in continua ai client, che vengono invece indicati con l’acronimo PD (Powered Device). La specifica prevede che un PSE deve essere in grado di fornire potenza a un PD su un cavo Ethernet (solitamente di tipo CAT 5/6) la cui lunghezza non può superare i 100 metri.

Fig. 3: Schema della tipica topologia PoE (fonte: Ethernet Alliance)

Poichè, come appena accennato, il cavo Ethernet può essere lungo fino a 100 metri, bisognerà tener conto delle inevitabili dissipazioni e nei casi peggiori (worst case) la potenza ricevuta dal PD sarà inferiore sarà inferiore rispetto a quella erogata dal PSE. Ciò è stato previsto dalle specifiche, che fissa a 13 W (802.3af), 25,5 W (802.3at) e 7.3 W (802.3bt) la potenza massima disponibile per i PD. La tensione continua sul PD può variare da 42 a 57 V [RB2] per lo standard “bt”. I dispositivi collegati in rete che non supportano la tecnologia PoE sul loro ingresso possono ancora essere collegati e utilizzare uno splitter PoE al fine di separare i dati e la potenza in continua. In questo modo è possibile ridurre il ricorso a convertitori AC/DC ed evitare di dover posizionare le apparecchiature in prossimità di una presa AC.

Telecamere PTZ alimentate tramite PoE

Gli odierni sistemi di sicurezza di solito utilizzano telecamere digitali con risoluzione HD che integrano piccoli motori che consentono il movimento lungo tre assi (PTZ – Pan, Tilt e Zoom). Queste telecamere possono essere controllate manualmente sfruttando una connessione cablata come Ethernet oppure programmate per spostarsi ed eseguire lo zoom automaticamente nel momento in cui vengono rilevati oggetti all’interno della “finestra di interesse” predefinita o nell’intero campo visivo. Alcune telecamere possono anche essere configurate per rilevare una scena eseguendo su base continuativa una panoramica (pan) a 360° con inclinazione (tilt) da 0 a 180°, mentre l’ingrandimento (zoom) può essere effettuato impiegando tecniche di tipo ottico o digitali. La potenza necessaria per queste telecamere di sicurezza e sorveglianza può essere ora fornita utilizzando la tecnologia PoE basata sullo standard IEEE 802.3at.

Reti wireless alimentate tramite PoE

I router e i punti di accessi Wi-Fi rappresentano un’altra tipica applicazione della tecnologia PoE. Il consumo di potenza di questi dispositivi è spesso correlata alla velocità e al numero di flussi supportati. Le reti moderne utilizzano tecniche come MIMO (Multiple Input Multipe Output) per aumentare la distanza di trasmissione e il throughput. L’implementazione di un’applicazione AP/router capace di supportare le velocità previste da Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) corrisponderebbe ai seguenti standard PoE:

1. Wi-Fi 6, 4×4 dual band concorrente: 802.3at
2. Wi-Fi 6, 8×8 dual band concorrente: 802.3at/bt
3. Wi-Fi 6, 4×4 tri band concorrente: 802.3at/bt

Sebbene AP e router Wi-Fi siano dotati di un alimentatore AC/DC, essi possono anche essere alimentati utilizzando uno splitter PoE. Prodotti come l’AP  Meraki^TM MR56 di Cisco per Wi-Fi 6 (802.11ax, 8 flussi) ora supporta lo standard 802.3at, per cui la porta RJ45 può essere collegata direttamente a un commutatore PSE abilitato alla tecnologia PoE per alimentare il dispositivo.

Picocelle e femtocelle alimentate tramite PoE

Le picocelle e le femtocelle vengono utilizzate per ampliare o incrementare la copertura cellulare in particolar modo nelle aree particolarmente affollate come interni di edifici, uffici, centri commerciali e stadi. A differenza di una normale cella, il range di un picocella è inferiore, uguale o inferiore a 200 metri, mentre quello di un femtcella può essere anche di soli 10 metri. Questi minuscoli dispositivi sono candidati ideali per la tecnologia PoE, come evidenziato dall’esempio sotto riportato:

1. Apex^TM Picoella 4G/LTEoperante nella banda a 3,5 GHz per ambienti interni (35W): 802.3bt

Cartellonistica digitale alimentata tramite PoE

Gli schermi televisivi a LED rappresentano una forma molto efficace di comunicazione. Essi possono comunicare contenuti dinamici e personalizzati in una molteplicità di spazi tra cui uffici aziendali, negozi “intelligenti”, hotel e uffici governativi. Come accade nel caso del Wi-Fi, l’ubicazione è un fattore da tenere nella massima considerazione. Gli schermi di grandi dimensioni, a esempio, sono appesi al soffitto in modo che le persone possano vedere facilmente i contenuti. Viceversa, i chioschi “intelligenti” o i dispositivi PoS utilizzano schermi di piccole dimensioni, spesso di tipo touchsreeen, per garantire una fruizione più personalizzata e interattiva.

I consumi di potenza degli apparecchi televisivi a LED variano in maniera significativa. La TV LED  Samsung^® 55” (come riportato poco sotto) è caratterizzato da un consumo di 69 W (valore tipico), mentre un analogo apparecchio di pari dimensioni di un altro produttore richiede 120 W. Di conseguenza è importante assicurare che la TV LED non superi la potenza che il PD può ricevere. Nel caso dello standard 802.3bt questo valore può variare da 90 a 71,3 W, in funzione della lunghezza del cavo Ethernet che collega il PSE e l’apparecchio (che rappresenta il dispositivi alimentato – PD).

Sul mercato sono disponibili numerosi apparecchi per digital signage che supportano la tecnologia PoE. Sarà interessante verificare se i produttori di TV LED inizieranno a integrare lo standard 802.bt nei loro apparecchi di maggiori dimensioni destinati al crescente mercato della cartellonistica digitale.

1. 55”, Samsung 4K LED TV (#Q70T) 69W (tip.): 802.3bt (Splitter PoE richiesto)
2. 46”, HD con touchscreen di Thinlabs, Inc: 802.3bt (Slipper PoE non richiesto)
3. 10”, Samsung Digital Signage (DB10E-TPOE) 802.3at (Splitter PoE non richiesto)
4. 48”, Samsung Digital Signage (DH48E) 44W (typ) 802.3bt (Splitter PoE richiesto)
5. 40”, Samsung Digital Signage (H40B) 44W (typ) 802.3bt (Splitter PoE richiesto)
6. 16” medTV^® PDI-P16TV-GB2-P television (25W) 802.3at (Splitter PoE non richiesto)

Illuminazione connessa “intelligente” alimentata tramite PoE

La tecnologia PoE e l’illuminazione a LED rappresentano un connubio perfetto in quanto i LED assorbono potenza in continua, ovvero dello stesso tipo di quella erogata dalla tecnologia PoE. Quindi quando si alimentano i LED in modalità PoE è possibile eliminare i costi associate alla conversione da potenza AC/DC..

Un esempio dei vantaggi che può comportare l’adozione della tecnologia PoE negli edifici “intelligenti” è la piattaforma di illuminazione connessa (Connected Lighting Platform) di onsemi^® (Fig. 4). Di concezione modulare, questa piattaforma è in grado di fornire una luminosità di 7.000 lumen a due stringhe di 16 LED, pilotate dai driver per LED duali FL7760. Un modulo PoE basato sul controllore NCP1096 conforme a 802.3bt fornisce una potenza continua massima di 90 W al modulo per il pilotaggio dei LED. Il modulo per il pilotaggio dei LED prevede anche un secondo connettore che permette il collegamento di una radio RSL10 che supporta Bluetooth^® 5 radio per la connettività in modalità wireless con uno smartphone che può essere usato come gateway, consentendo così la connettività con il cloud. Si tratta di un chiaro esempio di illuminazione intelligente.

Fig. 4 – La piattaforma di illuminazione connessa con il modulo PoE

Telefoni aziendali (VoIP) alimentati tramite PoE

VoIP (Voice over Internet Protocol) è probabilmente la più comune applicazione della tecnologia PoE. Grazie a VoIP è possibile digitalizzare segnali vocali analogici a bassa frequenza in pacchetti di dati utilizzando il protocollo Ethernet su una rete WAN (Wide Area Network). Da qui saranno trasferiti a commutatori e router e nel cloud, fino a raggiungere la destinazione prevista. Grazie ai suoi bassi consumi, compresi tra 4 e 7 W, la tecnologia VoIP è perfettamente compatibile con lo standard PoE 802.3 af. I moderni telefoni VoIP equipaggiati con connettori RJ45 sono progettati per ricevere sia dati sia potenza su un cavo Ethernet, per cui non è necessario ricorrere a uno splitter PoE esterno.

Considerazioni conclusive

La possibilità di fornire potenza e dati su un unico cavo è sicuramente interessante: il successo ottenuto da USB, divenuto una fonte onnipresente di potenza per molti dispositivi consumer è una chiara testimonianza della validità di questo approccio. Un identico discorso è valido per la tecnologia PoE nelle applicazioni industriali e commerciali. Essa promuovere il concetto di soluzioni su cavo singolo destinate ad applicazioni che possono trarre vantaggi diretti dalla loro intrinseca semplicità.

Bob Card - Americas Marketing Manager - Advanced Solutions Group (onsemi)

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