Le Raspberry Pi 3B+ est équipé d’un connecteur destiné à recevoir une carte d’alimentation PoE. La carte HAT PoE alimente le Raspberry Pi 3 modèle B+ via un câble Ethernet. A l’autre extrémité, il faut que un équipement réseau capable d’injecter l’alimentation sur le câble réseau. En France, la carte PoE est disponible à partir du 21 aout 2018 chez Kubii

Carte HAT POE pour le Raspberry Pi 3B+

Quelques explications sur les termes employés

HAT

Ces cartes sont apparues avec le Raspberry Pi B+ qui a défini une nouvelle version des cartes d’extension : HAT (Hardware Attached on Top = Le matériel qui vient dessus…).
Vous en saurez plus en lisant cet article sur les cartes HAT.

POE

La POE : Power over Ethernet est une des fonctionnalités réseau définie par les normes IEEE 802.3af et 802.3at. La PoE est un moyen d’alimenter des appareils connectés via les câbles Ethernet du réseau sur lequel ils sont connectés. Cette alimentation se fait simultanément à la connexion de données.

Les appareils compatibles PoE peuvent être utilisés

• comme source d’alimentation (P.S.E. = Power Sourcing Equipment)
• comme appareils alimentés (P.D. = Powered Device)
• parfois les deux.

L’appareil fournissant une alimentation (switch, injecteur, routeur…) est un P.S.E. (Power Sourcing Equipment). Les injecteurs peuvent être utilisés avec un switch non POE, pour ajouter cette fonctionnalité à une liaison. C’est ce que j’utiliserai dans cet article.
L’appareil qui reçoit l’alimentation est un équipement P.D. (Powered Device).
On trouve souvent comme P.D. (Powered Device) : les téléphones IP, les bornes d’accès WiFi, les caméras IP et maintenant… le Raspberry Pi !

Les P.S.E. PoE peuvent fournir un maximum de 15,4 watt par port. Il faut noter que la longueur du câble entraîne toujours une perte de puissance (dissipée dans les fils, connecteurs, jonctions…). Cette perte est d’autant plus élevée que le câblage est long.
A la sortie, l’équipement PD (Powered Device) dispose normalement de 12,95 watt par port sur la PoE. On arrondit à 13w 🙂

Raspberry Pi 3 B+ et carte d’alimentation PoE

Le Raspberry Pi 3B+ est le dernier modèle de la gamme, sorti en mars 2018. Il est (pour l’instant) le seul à disposer du connecteur 4 broches pour la carte PoE HAT.

LA CARTE HAT PoE N’EST COMPATIBLE
QU’AVEC LE MODÈLE RASPBERRY PI 3B+ (et suivants)
MAIS PAS AVEC LES MODÈLES PRÉCÉDENTS !

 

Sur ce schéma de la partie Ethernet du Raspberry Pi 3B+ on voit que la tension d’alimentation arrive via les paires du câble Ethernet. Chaque paire est reliée à un transformateur. Le point central de ces bobines est récupéré et connecté aux quatre broches supplémentaires, apparues sur le Pi 3B+.

Sur ce plan du Pi 3B+, la prise à 4 broches se situe sous le GPIO, à son extrémité droite.

Prise PoE sur le Raspberry Pi 3B+ : ce sont ces quatre broches qui sont connectées à chacune des paires du câble Ethernet.

Une carte d’alimentation PoE avant l’heure

Carte PoE

Il y a eu des créations de cartes PoE pour les versions précédentes du Raspberry Pi. Comme ces RasPi ne donnaient pas accès aux fils du primaire de la prise réseau, la carte d’alimentation PoE comportait sa propre prise Ethernet pour extraire la tension d’alimentation. Ensuite cette tension de 48v était ramenée à 5v et injectée sur le GPIO. Une deuxième prise Ethernet permettait de renvoyer les données réseau sur la prise Ethernet du Raspberry Pi. C’est le cas de la carte ci-dessus, vendue en France par Kubii. Cette obligation d’avoir 2 prises Ethernet sur la carte additionnelle aboutissait à un ensemble de forte épaisseur. C’est l’une des raisons pour lesquelles la carte HAT PoE a été créée, l’autre raison est que de plus en plus de Raspberry Pi sont utilisés dans le monde industriel (près de 30%) et que la demande des professionnels pour ce genre d’alimentation est forte. Voir ce webinaire d’Eben Upton le 8 mai 2018 : Powered by Raspberry Pi  – Industrial Uses for the Raspberry Pi with Eben Upton

Carte LM2596HV pour le Raspberry Pi3B+

Quand le Raspberry Pi 3B+ est sorti, la présence de cette prise a bien vite éveillé la curiosité des bidouilleurs de tout genre.

On trouve (pour à peine plus d’un euro) sur les sites asiatiques des modules à base de LM2596 qui sont des convertisseurs abaisseurs de tension (step-down). Attention cependant, conformément à la notice du LM2596, il faut absolument que le modèle utilisé soit le LM2596HVS (High Voltage) qui monte à 57v en entrée, pour pouvoir supporter la tension de la PoE (48v). La carte est équipée d’un potentiomètre destiné à régler précisément la tension de sortie. J’ai utilisé ce module avec une tension de sortie réglée à 5,1v sans problème. Lorsque le réglage est terminé, pensez à fixer la vis du potentiomètre avec une goutte de vernis à ongle…

Des réalisations à base de ces modules ont fait leur apparition peu de temps après la sortie du Pi 3B+. Ça fonctionne parfaitement mais les protos n’ont pas le « look » d’une carte HAT et font moins « pro » 🙂 Mais lorsque c’est mis en coffret pour protéger les cartes il n’y a plus de problème. C’est le cas de cette réalisation publiée le 15 avril 2018 par Atm_Joy avec 2 Raspberry Pi 3B+ alimentés par des modules LM2596HV.

Gros plan sur une  alimentation PoE pour Raspberry Pi 3B+ d’Atm_Joy le 8 avril 2018. Si vous vous lancez dans ce genre de réalisation, il faut être sûr(e) de vous car une fausse manip peut détruire la carte d’alimentation ET/OU le Raspberry Pi !

Pour en savoir plus sur les réalisations de l’ami Atm_Joy visitez http://atmjoy.com/ et http://314.chezrami.net/

Images blogwifi.fr

Vous pouvez également consulter la page de blogwifi.fr consacrée à la mise en œuvre et aux tests de ce module.

Injecteur PoE

Routeur ou switch PoE

L’injecteur PoE est chargé de superposer aux signaux transitant sur les paires du câble Ethernet, une tension de 48v destinée à alimenter les appareils connectées sur le réseau. Ceci doit se faire sans dégrader le signal réseau, et sans modifier les caractéristiques de la norme utilisée pour la transmission des données. Si vous devez alimenter plusieurs appareils en PoE, tournez vous vers un switch ou un routeur PoE.

C’est le cas de ce switch D-link DGS 1008P 8 ports PoE 10/100/1000 vendu sur Amazon près de 70 euros (pub gratuite 🙂 ). Lisez bien les petites lignes si vous en achetez un de ce modèle (ou un autre) car l’alimentation (48 à 54v) est parfois fournie… parfois non, ce qui peut augmenter le montant de votre achat, et votre taux d’adrénaline quand vous recevez un switch et que vous vous apercevez qu’il faut en plus commander l’alim qui n’est pas fournie !

Injecteur PoE simple

Pour un seul appareil à alimenter (une caméra équipée d’un Pi3 par exemple) un injecteur simple suffit. Il intègre l’alimentation (pas de surprise ici) et le dispositif permettant de l’injecter sur les fils du réseau.

 

L’injecteur PoE que j’ai utilisé est un modèle fabriqué… en Chine. Il se présente comme une grosse prise de courant 220v.

A l’arrière de la prise on trouve 2 prises réseau. La prise Data In reçoit le câble en provenance de la box ou du switch. La sortie Data & Power Out transporte les données auxquelles on a ajouté une tension d’alimentation de 48v. A l’origine ce genre d’injecteur PoE est destiné à alimenter un téléphone IP PoE connecté à un switch non PoE.

L’alimentation de l’injecteur annonce 48v pour 0,5A soit une puissance de 24W. Le shéma indique que le +48v est sur la paire 4-5 et le négatif sur la paire 7-8.

Ici l’injecteur est connecté et prêt à fonctionner. Le fil jaune part vers la box et le fil noir va vers la prise Ethernet du Raspberry Pi.

La carte d’alimentation PoE pour le Raspberry Pi 3B+

La voici enfin… Annoncée depuis plusieurs mois sur le site de la Fondation, la voici enfin disponible pour vos réalisations. La caméra déportée, le portier pour votre entrée ou toute autre application pour laquelle vous devez utiliser un câble réseau pourront être alimentés sans devoir amener le secteur ou prévoir une quelconque alimentation supplémentaire. (bin oui, le WiFi ne fonctionne pas dans tous les cas !)

Caractéristiques

• Norme 802.3af PoE
• Alimentation à découpage totalement isolée.
• Alimentation 37 à 57V continu, équipement Classe 2
• Sortie 5V  2.5A continu sur GPIO
• Ventilateur brushless 25mm x 25mm pour refroidissement du microprocesseur
• Contrôle du ventilateur

Cliquez sur ces images pour avoir plus d’informations sur la carte elle même et sur ses dimensions.

Les images de la carte d’alimentation PoE

A la partie supérieure de la carte d’alimentation PoE on ne voit que le ventilateur et le transformateur de l’alimentation à découpage. Notez que conformément à la norme HAT, une ouverture permet de faire passer le câble de la caméra. Le décrochement du côté gauche libère également la place pour le câble vers un écran LCD. En haut de la carte, le GPIO est un connecteur femelle, monté SOUS la carte pour garantir la plus faible épaisseur possible. A droite, sous le trou de fixation, on voit les 4 trous de la liaison PoE.

Vues de dessus de la carte montée sur un Raspberry Pi 3B+. Notez que les broches GPIO et PoE effleurent simplement la surface de la carte.

 

Tous les composants actifs sont sous la carte. En bas à droite le micro contrôleur ATMEL Tiny814. 

Sur le Raspberry Pi 3B+, ces 4 broches amènent la tension d’alimentation depuis le connecteur Ethernet.

Les 4 trous correspondants sur la carte d’alimentation PoE vont récupérer cette tension et la distribuer sur la carte.

Les connecteurs sont montés sous la carte et présentent une faible épaisseur.

Une fois montée sur la carte Raspberry Pi 3 B+, la carte d’alimentation PoE permet de conserver une faible épaisseur. Il faudra quand même tester la compatibilité de l’ensemble avec les boîtiers existants…

La carte montée sur un Pi 3B+ tient sans un boîtier officiel. Je n’ai pas monté la partie rouge pour garder de la visibilité. Après, si on ferme complètement le boîtier je ne suis pas convaincu de l’utilité du ventilateur, à part brasser l’air chaud à l’intérieur du boîtier… Et je n’ai pas envie de faire une découpe dans ce boîtier. C’est vous qui voyez

En ce qui concerne la face latérale du boîtier qui ne comporte pas de trous (Alim, HDMI et Vidéo/son), elle présente une découpe dans sa partie basse qui laisse le passage à la carte Raspberry Pi en fond de boîtier (flèches bleues). Par contre rien n’est prévu en haut de la plaque (flèches rouges).

Conclusion ? Quand vous mettez la plaque en place, la bordure intérieure butte sur la carte HAT PoE (flèche rouge) et le clip (flèche jaune) ne passe pas derrière la cloison pour bloquer celle-ci.

C’est bien entendu la même chose à l’autre extrémité de la plaque latérale…

[stextbox id=’warning’ caption=’Attention, danger de casse !’]

Si vous utilisez un boîtier officiel, pensez bien à enlever la carte SD avant d’extraire la carte Raspberry Pi du boîtier.

Sinon le bord du boîtier (flèche bleue) vient appuyer sur la carte qui se bloque et se casse au niveau de la flèche jaune 🙄 

Et voilà ce que ça donne. Oh bin… rigolez pas, hein vous n’avez jamais fait de connerie bêtise, vous ?

Ah oui, j’oubliais… la carte ne fonctionne plus 🙁 

[/stextbox]

 

Le Tiny814 est un microcontrôleur 8 bits. Il est utilisé pour gérer le fonctionnement de la carte HAT PoE.

Le MP8007 est un circuit intégré IEEE 802.3af compatible PoE Powered Device (PD). C’est un circuit prévu pour une application PoE 13W isolée ou non isolée. L’interface PD a toutes les fonctions de la norme IEEE 802.3af. Le convertisseur DC-DC utilise un courant de crête fixe et un mode de conduction discontinu à fréquence variable (DCM) pour réguler la tension de sortie. La régulation primaire sans retour par opto-coupleur en mode flyback simplifie la conception et contribue à réduire au minimum la taille du circuit. Un MOSFET 180V intégré optimise l’équipement dans une large plage de tensions d’utilisation. Le MP8007 permet d’obtenir une solution facile pour réaliser une PoE-PD avec un minimum de composants externes.
Le MP8007 est doté d’une protection qui comprend :

• protection contre les surintensités
• protection contre les surtensions
• protection en circuit ouvert
• protection en cas de surchauffe

Mise en oeuvre de la carte HAT PoE sur un Raspberry Pi 3B+

 

Présentez la carte HAT PoE au dessus du Raspberry Pi 3 B+. Si, comme moi, vous aviez collé un joli radiateur sur le Pi 3B+… vous n’avez qu’à le décoller car la carte ne rentre pas si vous avez un radiateur à l’étage en dessous 🙁
Mettez la carte en place, connectez les câbles Ethernet. A la connexion du câbles sur la carte Raspberry Pi, le ventilateur démarre… Vous allez l’entendre. Ce genre de petit ventilateur tourne vite pour brasser de l’air et… il fait du bruit.

On n’entend pas de bruit mécanique comme sur d’autres ventilateurs que j’ai pu utiliser, non, mais juste un bruit de ventilation assez aigu comme le montre la courbe ci-dessus relevée à quelques centimètres du ventilateur.

Tension d’entrée

Avec l’injecteur que j’ai utilisé, j’ai retrouvé cette tension sur les deux bornes inférieures du connecteur PoE. A gauche le – et à droite le + comme sur la photo ci-dessus.  (le fil rouge sur le bouton rouge…)

La tension mesurée est de 48,08 volts. Pas de chute de tension, je n’ai utilisé qu’un câble Ethernet de 30 cm. Si votre câble est plus long la tension risque d’être plus basse. Au passage, rappelez vous que la norme Ethernet limite la longueur maximale à 100 mètres !

J’ai mesuré la sortie directement sur le GPIO.

Le voltmètre affiche 4,99 volts, ce qui est tout à fait convenable. Le RaspberryPi 3B+ est connecté à un clavier et une souris USB et la sortie HDMI se fait via un convertisseur VGA (de chez ACTION).

La carte est livrée avec un sachet contenant les vis et les entretoises nécessaires à un montage solide de l’ensemble.

Essais sur la durée

A l’heure où j’écris ces lignes, la carte fonctionne sur un Raspberry Pi 3 B+ depuis plus de 48 heures. La température en ce mois de juillet est de 27,5 degrés dans mon bureau. Elle a oscillé entre 23 et 28 °C environ. Le processeur situé sous le ventilateur est monté au maxi à 39 degrés soit 12 degrés d’écart avec la température ambiante (carte posée sur la table). Ça reste tout à fait acceptable pour une utilisation « normale » du Raspberry Pi.
En boîtier officiel (sans la partie supérieure) la température se stabilise à 40 °C et monte à 45 °C lorsque le processeur est sollicité (mise à jour importante, charge processeur 25%).
C’est certain que si vous le soumettez à un stress test il va chauffer un peu plus… Mais pour une caméra, un portier etc. c’est raisonnable.

Vidéo

 

Conclusion

Tout d’abord merci à Gérald de Kubii qui m’a fait parvenir cette carte d’alimentation PoE pour les tests. Vous pouvez trouver la carte HAT PoE sur le site de Kubii.

Facile à mettre en œuvre et sans réelle difficulté, cette carte d’alimentation PoE met à disposition de tous la possibilité d’alimenter un Raspberry Pi distant (et souvent peu accessible) via le réseau. Cela permet de s’exonérer d’une alimentation à proximité, ce qui signifie souvent l’obligation d’amener des fils secteurs près du boîtier, avec toutes les contraintes et les précautions que cela demande. Ici un switch PoE ou un simple injecteur PoE amèneront la tension d’alimentation jusqu’à la carte PoE qui se chargera d’alimenter correctement le Raspberry Pi avec en prime un refroidissement supplémentaire du CPU.

Il faudra juste utiliser un boîtier approprié qui devrait être disponible rapidement, ou créer un boîtier adapté en impression 3D. Pour les boîtiers existants, un test s’impose 🙂

En France, la carte PoE pour le Raspberry Pi est disponible à partir du 21 aout 2018 chez Kubii, elle est en précommande avant cette date.

Ajout du 2 septembre 2018

Des problèmes de gestion des ports USB avec la cate PoE HAT sont signalés et sont à l’étude.

Reportez vous à l’article de Martin Rowan qui présente ces problèmes de fonctionnement quand les ports USB sont sollicités.

  Sur cette vidéo, Martin montre le Raspberry Pi aisant de son mieux pour détecter, réagir contre la surconsommation et réactiver un port USB

Sources

• https://www.kubii.fr/cartes-extension-cameras-raspberry-pi/2280-raspberry-pi-poe-hat.html

Raspberry Pi PoE HAT

• https://blog.hackster.io/the-new-raspberry-pi-poe-hat-823de8a8f5f
• https://kb.netgear.com/fr/209/Qu-est-ce-que-le-PoE-Power-over-Ethernet
• https://raspberrypi.stackexchange.com/questions/715/how-do-i-modify-my-raspberry-pi-to-be-powered-over-poe
• https://www.ebay.com/itm/DSLRKIT-48V-72W-5-Ports-4-PoE-Injector-Power-Over-Ethernet-Switch-4-5-7-8-/191789795402?_ul=FR
• http://blogwifi.fr/raspberry-pi-3-et-poe/