應用優(yōu)化的無線模塊-智能LED燈泡設計的好點子

簡介

自從 140 年前第一個商用的白熾燈泡問世以來，發(fā)光二極管（LED）燈泡是照明領(lǐng)域的最大進步。LED 燈的好處無數(shù)，而且有據(jù)可查。與現(xiàn)代的白熾燈泡相比，它們通常節(jié)省 75％的能量，使用壽命可以延長 50 倍以上。今天的 LED 燈泡比以前的 LED 燈泡有了很大的改進。它們產(chǎn)生的熱量極少，不發(fā)出紫外線或紅外線，不含汞，耐沖擊，并能在極端環(huán)境下有效運行。

照明革命的下一個浪潮即將來臨：智能互聯(lián)照明。為 LED 燈泡添加無線連接和聯(lián)網(wǎng)功能，不僅提供了簡單的開 / 關(guān)功能，還提供了更多的機會。您可以通過簡單的智能手機應用程序或語音助手來調(diào)整亮度、色溫和定時，甚至在旅途中遠程控制燈光。以前聞所未聞的應用包括無線接近傳感器觸發(fā)的智能燈在晚上當您穿過房屋或建筑物時自動照亮走廊和房間，床頭照明在早晨逐漸喚醒您，或醫(yī)院照明使用色彩改善情緒、健康及加快康復。智能連接照明的便利性和好處是無限的。

與傳統(tǒng)照明相比，智能照明仍處于新生階段，但是在住宅、商業(yè)和工業(yè)市場中，智能照明的采用率正在穩(wěn)步提高，這在一定程度上得益于采用了綠色能源激勵措施和法規(guī)，例如 California Title 20。根據(jù)研究和市場預測，到 2022 年全球智能照明市場將達到 240 億美元，2018 年至 2023 年的復合年增長率（CAGR）將高達 21％。

隨著越來越多的“物”相互連接以及消費者逐漸接受智能家居技術(shù)，對智能互聯(lián)照明的接受和需求將繼續(xù)增長。這就是為什么 Acuity Brands、Cree、Eaton、GE Lighting、Philips/Signify、Osram 和許多其他頂級照明品牌不僅競相提供智能 LED 產(chǎn)品，而且還提供易于部署、可互操作、安全且可升級的完整照明生態(tài)系統(tǒng)的原因。

智能 LED 設計挑戰(zhàn)

以經(jīng)濟高效的方式在 LED 燈泡中實現(xiàn)無線連接會給照明 OEM 廠商帶來一系列新的設計和實施的挑戰(zhàn)。例如，智能 LED 燈泡必須滿足嚴格的 RF 法規(guī)要求、苛刻的能效標準、高溫等級以及嚴格的產(chǎn)品尺寸和空間限制。照明開發(fā)人員還必須考慮設備和網(wǎng)絡的安全性，并確保智能 LED 燈泡與任何其他已連接的 IoT 產(chǎn)品一樣抵抗得住惡意黑客的攻擊。

另一個關(guān)鍵的設計考量因素是無線協(xié)議的選擇。許多可連接的燈都在 2.4 GHz 頻段上運行，并使用幾種流行的基于標準的短距離無線協(xié)議之一，例如 Zigbee、低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy）、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡（Bluetooth Mesh）或 Wi-Fi。使用基于標準的協(xié)議有助于實現(xiàn)與普通消費產(chǎn)品（例如語音助手、智能手機和平板電腦）的互通，無需額外的自定義網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡基礎設施產(chǎn)品。某些智能 LED 設計可能需要多協(xié)議連接，例如支持低功耗藍牙進行設備設置和控制以及通過網(wǎng)關(guān)訪問基于 Zigbee 的多節(jié)點照明網(wǎng)狀網(wǎng)絡的能力。

藍牙或 Zigbee 等標準之外的專有無線協(xié)議也是一種選擇。雖然在短期內(nèi)實現(xiàn)專有無線協(xié)議可能很容易且具有成本效益，但這種選擇可能會帶來互操作性和可升級性的長期挑戰(zhàn)?；跇藴实臒o線解決方案推動了大批量生產(chǎn)，因此從長遠來看可能是更具成本效益的選擇。而從眾多可用選項中選擇合適的無線技術(shù)和供應商，需要對 RF 設計以及性能權(quán)衡和風險有更深入的了解。

智能 LED 設計也必須滿足傳統(tǒng)照明產(chǎn)品所不需要的無線標準和法規(guī)性能要求，例如電磁（EM）輻射和能耗。

實施帶來的挑戰(zhàn)

為了將新的智能 LED 產(chǎn)品推向市場，照明 OEM 廠商還面臨著一些涉及工程和運營資源的實施挑戰(zhàn)：

? 要發(fā)展專業(yè)知識并分配資源以實施并成功完成標準和法規(guī)的認證測試，例如 FCC 和 CE 認證。

? 要考慮確保產(chǎn)品部署到現(xiàn)場后的產(chǎn)品功能和安全性升級的設置，通常通過無線（OTA）更新。

? 管理物料的采購和多個組件的庫存。

? 驗證與智能家居或智能建筑中其他無線物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和生態(tài)系統(tǒng)的互操作性。

? 優(yōu)化物料清單（BOM）和開發(fā)成本，以交付具有成本競爭力的產(chǎn)品，同時滿足嚴格的生產(chǎn)計劃并縮短上市時間。

借助模塊解決方案消除設計和實施帶來的挑戰(zhàn)

雖然對于具有較少 RF 經(jīng)驗和專業(yè)知識的開發(fā)人員而言，向 LED 燈泡添加無線連接可能是一項艱巨的任務，但現(xiàn)在可以使用經(jīng)過預先認證的無線模塊解決方案來簡化智能 LED 產(chǎn)品設計的任務，從而最大程度地減少照明 OEM 廠商面臨的許多挑戰(zhàn)。

無線模塊旨在提供一個全方位的即插即用解決方案，該解決方案集成了開發(fā)人員完成 LED 設計的連接部分所需的關(guān)鍵組件。模塊供應商已經(jīng)完成了天線設計、阻抗匹配、無源器件的調(diào)諧和集成以及協(xié)議開發(fā)等以射頻為中心的艱巨任務。對于自身可能缺乏必要 RF 或協(xié)議專業(yè)知識的 OEM 廠商來說，這些已完成的工程和集成工作可以帶來巨大的好處。此外，無線模塊通常附帶所有必需的軟件，包括所選的協(xié)議棧。模塊供應商還提供易于使用的開發(fā)工具，以支持和簡化設計和調(diào)試過程。

通過在 LED 設計中使用無線模塊，照明 OEM 廠商無需擔心管理天線、晶體振蕩器和無源器件等多個 RF 組件的采購和庫存。此外，同一模塊還可用于多種照明產(chǎn)品，從而進一步簡化了采購和庫存管理。

選擇正確的模塊解決方案

在評估 LED 設計的模塊選項時，照明 OEM 廠商應尋找專門為互聯(lián)照明應用的特定需求而設計的解決方案。

例如，Silicon Labs 的 MGM210L 和 BGM210L 模塊是可用于照明市場的首批針對應用優(yōu)化的模塊產(chǎn)品。MGM210L 模塊支持 Zigbee 和 Thread，以及動態(tài)多協(xié)議連接（例如 Zigbee 和 Bluetooth Low Energy）。BGM210L 設計用于 Bluetooth Low Energy 或 Bluetooth Mesh。這兩個新模塊旨在簡化和加速功能豐富、顏色可選和可調(diào)光的 LED 燈的開發(fā)，同時使開發(fā)人員能夠利用基于藍牙、Zigbee 和 Thread 的網(wǎng)狀網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng)。

xGM210L 模塊基于 Silicon Labs Series 2 EFR32xG21 無線片上系統(tǒng)（SoC）芯片，其外圍設備針對照明應用進行了優(yōu)化。該 SoC 包含低功耗的 Arm? Cortex?-M33 處理器內(nèi)核，足夠支持動態(tài)多協(xié)議操作和 OTA 固件更新以確保智能照明產(chǎn)品未來適應性的內(nèi)存，以及能夠支持 802.15.4、Bluetooth Mesh 協(xié)議和 Bluetooth Low Energy 的高性能 2.4 GHz 射頻收發(fā)器。無線電通過單協(xié)議或多協(xié)議連接來處理無線網(wǎng)絡功能。集成的 RF 功率放大器還使得 xGM210L 模塊能夠處理需要數(shù)百米視距連接的遠程應用。

諸如 xGM210L 器件之類的高能效模塊可提供較低的有功功耗水平，該功耗水平經(jīng)過了優(yōu)化，可以滿足 California Title 20 設備效率法規(guī)。許多運往美國市場的照明產(chǎn)品必須符合 California Title 20 法規(guī)，需要對照明控制設備的制造商進行認證。

模塊解決方案可以幫助照明 OEM 廠商減少與 RF 設計、協(xié)議優(yōu)化和法規(guī)認證有關(guān)的研發(fā)周期。xGM210L 模塊經(jīng)過了預先認證，可以在北美（FCC 和 ISED）、歐洲（CE）、韓國和日本使用，旨在最大程度地減少與全球無線認證相關(guān)的時間、成本和風險因素，從而使照明 OEM 廠商縮短數(shù)月的產(chǎn)品上市時間。

隨著制造商為更多的 LED 產(chǎn)品增加 RF 連接性，小尺寸燈泡設計帶來了復雜的尺寸、功率和散熱限制，而現(xiàn)有的無線解決方案無法輕松解決這些限制。xGM210L 模塊旨在解決這些限制。該模塊的定制印制電路板（PCB）尺寸（16 mm x 23 mm）符合大多數(shù) LED 燈泡外殼的緊湊尺寸。它還具有最高+125°C 的額定溫度，可確保在燈泡外殼中可靠地運行（燈泡外殼在長時間使用后會變熱）。

安全性是智能 LED 產(chǎn)品的另一個重要考量因素。最近的媒體報道稱，黑客通過 LED 燈泡入侵了智能家居網(wǎng)絡，這已經(jīng)使消費者和照明開發(fā)商都意識到了從燈泡本身到云端對于安全的迫切需求。照明 OEM 廠商應尋求能夠提供內(nèi)置硬件安全功能的模塊，無需增加成本，即可使開發(fā)人員能夠在智能 LED 產(chǎn)品中實現(xiàn)強大的安全性。

例如，xGM210L 模塊具有專用的安全內(nèi)核，該內(nèi)核隔離了應用處理器，并提供快速、節(jié)能的加密操作以及差分功耗分析（DPA）對策。符合 NIST 和 AIS-31 要求的真隨機數(shù)生成器（TRNG）可以增強器件加密。具有信任根和安全加載程序（Root of Trust and Secure Loader, RTSL）技術(shù)的安全啟動（Secure Boot）有助于防止惡意軟件侵入和回滾，確?？煽康墓碳?zhí)行和 OTA 更新。具有獨特鎖定 / 解鎖功能的安全調(diào)試接口允許進行經(jīng)過身份驗證的訪問，以增強故障分析能力。該模塊的 Arm Cortex-M33 內(nèi)核集成了 TrustZone 技術(shù)，可為可信軟件架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)級的硬件隔離。

完整的模塊解決方案應附帶強大的無線軟件協(xié)議棧，從而使開發(fā)人員可以選擇標準協(xié)議，例如 Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh 和 Bluetooth Low Energy。此外，開發(fā)人員應當期望全面的軟件支持，包括強大的軟件開發(fā)工具包（SDK）和高級工具，以幫助驗證網(wǎng)絡性能并輔助調(diào)試，優(yōu)化智能照明應用的性能和能耗。xGM210L 模塊帶有功能強大的開發(fā)工具套件，例如網(wǎng)絡分析儀（Network Analyzer）、能耗分析器（Energy Profiler）等。SDK 包含實現(xiàn)低能耗操作所需的所有庫以及使燈泡與網(wǎng)絡通信所需的所有驅(qū)動程序。

結(jié)論

毫無疑問，智能 LED 燈泡產(chǎn)品在住宅、商業(yè)和工業(yè)市場中越來越受歡迎。現(xiàn)在可以使用全面的硬件和軟件解決方案來簡化聯(lián)網(wǎng)照明產(chǎn)品的開發(fā)。經(jīng)過優(yōu)化的無線模塊現(xiàn)已上市，可幫助縮短上市時間，減少開發(fā)和認證成本，并解決 OEM 廠商可能面臨的許多無線設計挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃昊宇