智能LED開拓了愛迪生從未有過的想象

本文我們將探討消費(fèi)市場中的一些自動化智能照明解決方案，以及如何為互聯(lián)家庭應(yīng)用提供最新的低功耗 MCU、無線技術(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，從而加快市場發(fā)展。此外，我們還將探討為 LED 燈泡增添智能連接性所需的要素，包括各種關(guān)鍵無線技術(shù)的比較，以及Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）業(yè)界首創(chuàng)的Wireless Gecko多協(xié)議無線SoC解決方案。即刻點(diǎn)擊“閱讀原文”觀看完整的白皮書內(nèi)容。

智能照明為何還未跨越鴻溝

從白熾燈泡到熒光燈再到 LED，人們常見的燈泡已經(jīng)歷了 140 年的發(fā)展，而 LED 可能是最重要的進(jìn)步之一。更具體地講，智能 LED 開拓了愛迪生從未想象過的燈泡用途。

但是，互聯(lián)照明已經(jīng)出現(xiàn)很長時(shí)間，那么在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，它為什么沒能像其他消費(fèi)者導(dǎo)向型技術(shù)一樣大獲成功呢？

1. 智能照明安裝不易，墊高成本

一個進(jìn)入壁壘是安裝互聯(lián)照明所需的工作量。這項(xiàng)工作絕對不是自己動手那么簡單。用戶需要更換開關(guān)，這意味著要切斷開關(guān)的電源，拆除開關(guān)，然后換上全新的開關(guān)。這種程度的家庭改造計(jì)劃超出大多數(shù)屋主的能力范圍。另一項(xiàng)束縛該市場發(fā)展的因素是成本。與任何事物一樣，只要面向消費(fèi)者的價(jià)格降低，采用率便會增加。新開關(guān)、接線以及安裝硬件電路的人工成本并不便宜，即便 LED 已十分普及，成本仍然是一大障礙。但是現(xiàn)在，情況發(fā)生了變化。

在 2014 年，一只標(biāo)準(zhǔn)LED燈泡的售價(jià)為25美元，而今天，價(jià)格僅為約2美元。一個典型的美國家庭有40個燈座，設(shè)想一下，購置燈泡的費(fèi)用降低了近1，000美元。此外，得益于多協(xié)議的靈活性與易用性優(yōu)勢，能提供更好的用戶體驗(yàn)和增強(qiáng)的使用案例?？梢院唵蔚赜肂luetooth對zigbee設(shè)備部署網(wǎng)絡(luò)，也可以同時(shí)運(yùn)行zigbee或 Thread 和 Bluetooth。

除了成本，LED 燈泡是真正自己動手的解決方案。只需將燈泡旋入現(xiàn)有燈座，便能立即通過智能手機(jī)連接。無處不在的連接也是 LED 的一大優(yōu)勢。幾乎所有智能手機(jī)用戶都了解如何使用連接。因此，僅僅是 LED 便克服了兩個重要障礙：安裝簡單和易于使用。

2. 無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)紛雜，多協(xié)議設(shè)計(jì)盼紓困

我們提到的另一個障礙，即截然不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也得以解決。如今，大部分互聯(lián)燈泡使用zigbee或低能耗的Bluetooth。互聯(lián)開關(guān)可使用私有協(xié)議以及zigbee。多協(xié)議已變得日漸重要，因?yàn)殡m然每個標(biāo)準(zhǔn)都有自身的優(yōu)勢和劣勢，但制造商沒有興趣冒著被淘汰的風(fēng)險(xiǎn)將賭注全部押在一個協(xié)議上。因此，如果解決方案能夠讓開發(fā)人員靈活決定最適合其應(yīng)用的協(xié)議，那么該解決方案將以至今尚不存在的方式打開市場局面。選擇單一無線協(xié)議的另一個因素是地區(qū)偏好。

例如，zigbee在美國有著強(qiáng)大的影響力，但在亞洲并不占主流。因此，供應(yīng)商可能被迫構(gòu)建一個在北美地區(qū)使用zigbee的產(chǎn)品版本，并構(gòu)建另一個在亞洲使用低能耗Bluetooth 的產(chǎn)品版本。這時(shí)，就需要 Silicon Labs 這樣的供應(yīng)商來提供幫助。

無論現(xiàn)在還是未來，全新的 EFR32 Wireless Gecko 都可簡化連接性。全新的 Wireless Gecko具有更多內(nèi)存，提供無線軟件更新等功能，支持應(yīng)用增強(qiáng)和不斷發(fā)展的現(xiàn)場協(xié)議需求。

例如，如果客戶購買僅使用zigbee的燈具，則需要確保該燈具連接到現(xiàn)有zigbee網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)關(guān)。然而采用多協(xié)議支持時(shí)，最終用戶不一定要知道他們所連接的網(wǎng)絡(luò)類型。

如果供應(yīng)商同時(shí)支持zigbee和 Bluetooth，局面將得到改變。設(shè)備將默認(rèn)為 Bluetooth 并通過智能手機(jī)應(yīng)用進(jìn)行控制。該應(yīng)用可以隨后搜索其他網(wǎng)絡(luò)，如果識別到zigbee網(wǎng)絡(luò)，則加入。之后設(shè)備將進(jìn)行配置或引導(dǎo)裝載，作為zigbee設(shè)備使用。最終用戶不需要知道發(fā)生了什么，除了使用應(yīng)用，不必再因?yàn)槠渌魏问虑槎M(fèi)心。

同樣，添加網(wǎng)關(guān)可將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到本地網(wǎng)絡(luò)之外。通過將照明網(wǎng)絡(luò)連接到路由器，當(dāng)用戶不在家中時(shí)，也可以控制和監(jiān)控設(shè)備。

當(dāng)所有這一切發(fā)生時(shí)，用戶甚至沒有意識到后臺發(fā)生的所有連接事件。它就這么默默地工作著。

現(xiàn)在，多協(xié)議兼容的靈活性與易用性已成為競爭優(yōu)勢，

可提供更好的用戶體驗(yàn)和增強(qiáng)的使用案例。

讓普通LED燈泡實(shí)現(xiàn)智能化

LED 燈泡歷經(jīng)數(shù)代發(fā)展，現(xiàn)在擁有更好的色彩平衡、更強(qiáng)的可靠性和更低的成本。許多 LED 燈泡制造商正在研究如何創(chuàng)造出更具創(chuàng)新性的智能互聯(lián)燈泡。要想為 LED 燈泡增添智能無線連接性，需要克服一些設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。適用于zigbee和 Bluetooth Smart 的 RF 模塊可輕松獲得。從高層次的觀點(diǎn)來看，單純地將 RF 模塊添加至現(xiàn)有設(shè)計(jì)似乎十分簡單。

LED 燈泡中的電子鎮(zhèn)流器通常包含 PMIC 和一些高電壓分立元件。電子鎮(zhèn)流器通常以恒定電流驅(qū)動 LED 燈泡，以實(shí)現(xiàn)恒定亮度，不因輸入電壓或溫度而變化。該電子元件還提供良好的功率因數(shù)，并且可與傳統(tǒng)的壁式調(diào)光器一同使用。

PMIC 通常包括為 PMIC 本身供電的輔助電源。PMIC 輔助電源也可為 MCU、無線SoC或 RF 模塊供電。輔助電源通常為不穩(wěn)定的 10 至 15V電源。因此，需要線性穩(wěn)壓器來降低此電壓，從而提供穩(wěn)定的 3V 或 1.8V 電源。

第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是如何關(guān)閉LED或?qū)ED進(jìn)行調(diào)光。一個方法是，在LED 的陰極與地之間添加一個MOSFET，以便MCU用于開關(guān)控制。如果 PMIC 最初是針對恒定負(fù)載設(shè)計(jì)的，則該方法會帶來一些問題。禁用 PMIC 也會禁用輔助電源，因此不可行。

智能LED開拓了愛迪生從未過的想象

向 LED 燈泡增添智能連接性所需的電路

前幾代智能互聯(lián) LED 燈泡利用經(jīng)過修改的基本 LED 燈泡設(shè)計(jì)。下一代智能 LED 燈泡將鎮(zhèn)流器電子元件與專門為智能燈泡設(shè)計(jì)的 PMIC 相結(jié)合。這些設(shè)計(jì)包括始終啟用的穩(wěn)定低壓電源，并且無需額外的 MOSFET 即可控制 LED 的亮度。

EPA 能源之星計(jì)劃和加州能源委員會（CEC）的 Title 20 電器效率計(jì)劃等節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)對于待機(jī)電流或被吸取的電流有著嚴(yán)格的要求。能源之星燈泡規(guī)范 2.0 版本規(guī)定，待機(jī)功率須低于 500 mW。CEC 的 Title 20 則更加嚴(yán)格，規(guī)定在待機(jī)模式下，功率須低于 200 mW。雖然無線收發(fā)器功耗遠(yuǎn)低于該限制，但要將交流線路電壓轉(zhuǎn)換到 RF 收發(fā)器電壓，這仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。輔助電源需要以超過 50% 的效率和小于100mW的靜態(tài)電流消耗為 RF 模塊提供約 50 mW的功率。

RF 模塊和天線的布置提出了一些物理設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)。基本 LED 燈泡的鎮(zhèn)流器電路板周圍通常設(shè)有金屬屏障，以最大程度地降低開關(guān)電源的電磁干擾。智能 LED 燈泡設(shè)計(jì)需要屏蔽鎮(zhèn)流器，并為 RF 提供良好的天線。如果 RF 模塊垂直放置于燈泡頂部附近，則該模塊上的簡單PCB 天線或許能夠工作。然而，這可能會干擾光傳導(dǎo)并使智能半導(dǎo)體靠近 LED 熱源。設(shè)計(jì)者需要仔細(xì)考慮 RF 性能對燈泡可用性的影響。對于消費(fèi)者而言，可靠的連接十分重要。

最后但同樣重要的是，RF 模塊的溫度環(huán)境也是一項(xiàng)考慮因素。在理想情況下，RF 模塊應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱的 LED 和鎮(zhèn)流器電子元件。然而，該想法有時(shí)候并不實(shí)際。通過監(jiān)控 LED 和無線 SoC 的溫度并調(diào)暗 LED 以限制發(fā)熱，可以提高 LED 和無線 SoC 的可靠性。設(shè)置在 LED 附近的熱敏電阻可監(jiān)控 LED 溫度，同時(shí)無線SoC可能有片上溫度傳感器。