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)家庭應用提供最新的低功耗 MCU、無線技術和網狀網絡標準，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，包括各種關鍵無線技術的比較，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。即刻點擊“閱讀原文”觀看完整的白皮書內容。

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歷了 140 年的發(fā)展，而 LED 可能是最重要的進步之一。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)照明已經出現(xiàn)很長時間，那么在互聯(lián)網時代，它為什么沒能像其他消費者導向型技術一樣大獲成功呢？

1. 智能照明安裝不易，墊高成本

一個進入壁壘是安裝互聯(lián)照明所需的工作量。這項工作絕對不是自己動手那么簡單。用戶需要更換開關，這意味著要切斷開關的電源，拆除開關，然后換上全新的開關。這種程度的家庭改造計劃超出大多數屋主的能力范圍。另一項束縛該市場發(fā)展的因素是成本。與任何事物一樣，只要面向消費者的價格降低，采用率便會增加。新開關、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，一只標準LED燈泡的售價為25美元，而今天，價格僅為約2美元。一個典型的美國家庭有40個燈座，設想一下，購置燈泡的費用降低了近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和增強的使用案例?？梢院唵蔚赜肂luetooth對zigbee設備部署網絡，也可以同時運行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)議標準紛雜，多協(xié)議設計盼紓困

我們提到的另一個障礙，即截然不同的協(xié)議標準，也得以解決。如今，大部分互聯(lián)燈泡使用zigbee或低能耗的Bluetooth?；ヂ?lián)開關可使用私有協(xié)議以及zigbee。多協(xié)議已變得日漸重要，因為雖然每個標準都有自身的優(yōu)勢和劣勢，但制造商沒有興趣冒著被淘汰的風險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在美國有著強大的影響力，但在亞洲并不占主流。因此，供應商可能被迫構建一個在北美地區(qū)使用zigbee的產品版本，并構建另一個在亞洲使用低能耗Bluetooth 的產品版本。這時，就需要 Silicon Labs 這樣的供應商來提供幫助。

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具有更多內存，提供無線軟件更新等功能，支持應用增強和不斷發(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網絡或網關。然而采用多協(xié)議支持時，最終用戶不一定要知道他們所連接的網絡類型。

如果供應商同時支持zigbee和 Bluetooth，局面將得到改變。設備將默認為 Bluetooth 并通過智能手機應用進行控制。該應用可以隨后搜索其他網絡，如果識別到zigbee網絡，則加入。之后設備將進行配置或引導裝載，作為zigbee設備使用。最終用戶不需要知道發(fā)生了什么，除了使用應用，不必再因為其他任何事情而費心。

同樣，添加網關可將網絡擴展到本地網絡之外。通過將照明網絡連接到路由器，當用戶不在家中時，也可以控制和監(jiān)控設備。

當所有這一切發(fā)生時，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和增強的使用案例。

讓普通LED燈泡實現(xiàn)智能化

LED 燈泡歷經數代發(fā)展，現(xiàn)在擁有更好的色彩平衡、更強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，需要克服一些設計方面的挑戰(zhàn)。適用于zigbee和 Bluetooth Smart 的 RF 模塊可輕松獲得。從高層次的觀點來看，單純地將 RF 模塊添加至現(xiàn)有設計似乎十分簡單。

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動 LED 燈泡，以實現(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，并且可與傳統(tǒng)的壁式調光器一同使用。

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。

第二項挑戰(zhàn)是如何關閉LED或對LED進行調光。一個方法是，在LED 的陰極與地之間添加一個MOSFET，以便MCU用于開關控制。如果 PMIC 最初是針對恒定負載設計的，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。

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 燈泡利用經過修改的基本 LED 燈泡設計。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計的 PMIC 相結合。這些設計包括始終啟用的穩(wěn)定低壓電源，并且無需額外的 MOSFET 即可控制 LED 的亮度。

EPA 能源之星計劃和加州能源委員會（CEC）的 Title 20 電器效率計劃等節(jié)能標準對于待機電流或被吸取的電流有著嚴格的要求。能源之星燈泡規(guī)范 2.0 版本規(guī)定，待機功率須低于 500 mW。CEC 的 Title 20 則更加嚴格，規(guī)定在待機模式下，功率須低于 200 mW。雖然無線收發(fā)器功耗遠低于該限制，但要將交流線路電壓轉換到 RF 收發(fā)器電壓，這仍是一項挑戰(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計方面的挑戰(zhàn)。基本 LED 燈泡的鎮(zhèn)流器電路板周圍通常設有金屬屏障，以最大程度地降低開關電源的電磁干擾。智能 LED 燈泡設計需要屏蔽鎮(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并使智能半導體靠近 LED 熱源。設計者需要仔細考慮 RF 性能對燈泡可用性的影響。對于消費者而言，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)境也是一項考慮因素。在理想情況下，RF 模塊應遠離發(fā)熱的 LED 和鎮(zhèn)流器電子元件。然而，該想法有時候并不實際。通過監(jiān)控 LED 和無線 SoC 的溫度并調暗 LED 以限制發(fā)熱，可以提高 LED 和無線 SoC 的可靠性。設置在 LED 附近的熱敏電阻可監(jiān)控 LED 溫度，同時無線SoC可能有片上溫度傳感器。

無線更新和共用引導裝載程序

最后，適應未來需求的現(xiàn)有設備是無線功能的主要優(yōu)勢之一。在不需要外部存儲器的情況下將新映像文件傳輸至無線設備，這意味著供應商能夠為現(xiàn)有設備帶來新的功能。

正如我們之前討論的那樣，一個家庭有 40 只燈泡并不罕見。當最新的Bluetooth標準發(fā)布時，手動更換每只燈泡將會相當麻煩，但現(xiàn)在您不必擔憂。

通過使用適用于所有無線標準的公用引導裝載程序，您不再受限于僅更新至最新版本的zigbee或Bluetooth等。您將能夠根據需要在zigbee和Bluetooth之間來回切換。