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如何进行智能LED灯泡设计

来源:方田科技点击: 发布时间:2020-03-18 14:13

  自从140年前第一个商用的白炽灯泡问世以来,发光二极管(LED)灯泡是照明范畴的最大前进。LED灯的优点很多,并且有据可查。与现代的白炽灯泡比较,它们一般节约75%的能量,运用寿命能够延伸50倍以上。今天的LED灯泡比曾经的LED灯泡有了很大的改进。它们发生的热量极少,不宣布紫外线或红外线,不含汞,耐冲击,并能在极点环境下有效运转。

  照明革命的下一个浪潮即将来临:智能互联照明。为LED灯泡添加无线衔接和联网功用,不只供给了简略的开/关功用,还供给了更多的机会。您能够通过简略的智能手机运用程序或语音帮手来调整亮度、色温和守时,甚至在旅途中远程操控灯光。曾经闻所未闻的运用包括无线挨近传感器触发的智能灯在晚受骗您穿过房屋或建筑物时自动照亮走廊和房间,床头照明在早晨逐步唤醒您,或医院照明运用颜色改进心情、健康及加快康复。智能衔接照明的便利性和优点是无限的。

  与传统照明比较,智能照明仍处于重生阶段,但是在住所、商业和工业商场中,智能照明的采用率正在稳步进步,这在一定程度上得益于采用了绿色动力鼓励措施和法规,例如California Title 20。依据研究和商场预测,到2022年全球智能照明商场将达到240亿美元,2018年至2023年的复合年增长率(CAGR)将高达21%。

  跟着越来越多的“物”相互衔接以及消费者逐步承受智能家居技能,对智能互联照明的承受和需求将继续增长。这就是为什么Acuity Brands、Cree、Eaton、GE Lighting、Philips/Signify、Osram和许多其他顶级照明品牌不只竞相供给智能LED产品,并且还供给易于布置、可互操作、安全且可晋级的完好照明生态系统的原因。

  智能LED规划应战

  以经济高效的方式在LED灯泡中完成无线衔接会给照明OEM厂商带来一系列新的规划和施行的应战。例如,智能LED灯泡有必要满意严厉的RF法规要求、苛刻的能效规范、高温等级以及严厉的产品尺度和空间约束。照明开发人员还有必要考虑设备和网络的安全性,并保证智能LED灯泡与任何其他已衔接的IoT产品一样抵抗得住歹意黑客的进犯。

  另一个要害的规划考量要素是无线协议的挑选。许多可衔接的灯都在2.4 GHz频段上运转,并运用几种流行的根据规范的短距离无线协议之一,例如Zigbee、低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)、蓝牙网状网络(Bluetooth Mesh)或Wi-Fi。运用根据规范的协议有助于完成与普通消费产品(例如语音帮手、智能手机和平板电脑)的互通,无需额外的自定义网关和网络基础设施产品。某些智能LED规划或许需求多协议衔接,例如支撑低功耗蓝牙进行设备设置和操控以及通过网关访问根据Zigbee的多节点照明网状网络的能力。

  蓝牙或Zigbee等规范之外的专有无线协议也是一种挑选。虽然在短期内完成专有无线协议或许很简单且具有本钱效益,但这种挑选或许会带来互操作性和可晋级性的长时刻应战。根据规范的无线处理方案推动了大批量生产,因此从长远来看或许是更具本钱效益的挑选。而从很多可用选项中挑选适宜的无线技能和供货商,需求对RF规划以及功用权衡和危险有更深入的了解。

  智能LED规划也有必要满意传统照明产品所不需求的无线规范和法规功用要求,例如电磁(EM)辐射和能耗。

  施行带来的应战

  为了将新的智能LED产品推向商场,照明OEM厂商还面临着一些触及工程和运营资源的施行应战:

  要发展专业知识并分配资源以施行并成功完成规范和法规的认证测试,例如FCC和CE认证。

  要考虑保证产品布置到现场后的产品功用和安全性晋级的设置,一般通过无线(OTA)更新。

  办理物料的收购和多个组件的库存。

  验证与智能家居或智能建筑中其他无线物联网产品和生态系统的互操作性。

  优化物料清单(BOM)和开发本钱,以交付具有本钱竞争力的产品,一起满意严厉的生产计划并缩短上市时刻。

  借助模块处理方案消除规划和施行带来的应战

  虽然关于具有较少RF经历和专业知识的开发人员而言,向LED灯泡添加无线衔接或许是一项艰巨的使命,但现在能够运用通过预先认证的无线模块处理方案来简化智能LED产品规划的使命,然后最大程度地削减照明OEM厂商面临的许多应战。

  无线模块旨在供给一个全方位的即插即用处理方案,该处理方案集成了开发人员完成LED规划的衔接部分所需的要害组件。模块供货商现已完成了天线规划、阻抗匹配、无源器材的调谐和集成以及协议开发等以射频为中心的艰巨使命。关于自身或许缺乏必要RF或协议专业知识的OEM厂商来说,这些已完成的工程和集成作业能够带来巨大的优点。此外,无线模块一般顺便一切必需的软件,包括所选的协议栈。模块供货商还供给易于运用的开发东西,以支撑和简化规划和调试过程。

  通过在LED规划中运用无线模块,照明OEM厂商无需担心办理天线、晶体振荡器和无源器材等多个RF组件的收购和库存。此外,同一模块还可用于多种照明产品,然后进一步简化了收购和库存办理。

  挑选正确的模块处理方案

  在评估LED规划的模块选项时,照明OEM厂商应寻觅专门为互联照明运用的特定需求而规划的处理方案。

  例如,Silicon Labs的MGM210L和BGM210L模块是可用于照明商场的第一批针对运用优化的模块产品。MGM210L模块支撑Zigbee和Thread,以及动态多协议衔接(例如Zigbee和Bluetooth Low Energy)。BGM210L规划用于Bluetooth Low Energy或Bluetooth Mesh。这两个新模块旨在简化和加快功用丰厚、颜色可选和可调光的LED灯的开发,一起使开发人员能够利用根据蓝牙、Zigbee和Thread的网状网络生态系统。

  xGM210L模块根据Silicon Labs Series 2 EFR32xG21无线片上系统(SoC)芯片,其外围设备针对照明运用进行了优化。该SoC包括低功耗的Arm® Cortex®-M33处理器内核,足够支撑动态多协议操作和OTA固件更新以保证智能照明产品未来适应性的内存,以及能够支撑802.15.4、Bluetooth Mesh协议和Bluetooth Low Energy的高功用2.4 GHz射频收发器。无线电通过单协议或多协议衔接来处理无线网络功用。集成的RF功率放大器还使得xGM210L模块能够处理需求数百米视距衔接的远程运用。

  比如xGM210L器材之类的高能效模块可供给较低的有功功耗水平,该功耗水平通过了优化,能够满意California Title 20设备效率法规。许多运往美国商场的照明产品有必要契合California Title 20法规,需求对照明操控设备的制造商进行认证。

  模块处理方案能够协助照明OEM厂商削减与RF规划、协议优化和法规认证有关的研制周期。xGM210L模块通过了预先认证,能够在北美(FCC和ISED)、欧洲(CE)、韩国和日本运用,旨在最大程度地削减与全球无线认证相关的时刻、本钱和危险要素,然后使照明OEM厂商缩短数月的产品上市时刻。

  跟着制造商为更多的LED产品增加RF衔接性,小尺度灯泡规划带来了杂乱的尺度、功率和散热约束,而现有的无线处理方案无法轻松处理这些约束。xGM210L模块旨在处理这些约束。该模块的定制印制电路板(PCB)尺度(16 mm x 23 mm)契合大多数LED灯泡外壳的紧凑尺度。它还具有最高+125°C的额定温度,可保证在灯泡外壳中可靠地运转(灯泡外壳在长时刻运用后会变热)。

  安全性是智能LED产品的另一个重要考量要素。最近的媒体报道称,黑客通过LED灯泡侵略了智能家居网络,这现已使消费者和照明开发商都认识到了从灯泡自身到云端关于安全的火急需求。照明OEM厂商应寻求能够供给内置硬件安全功用的模块,无需增加本钱,即可使开发人员能够在智能LED产品中完成强壮的安全性。

  例如,xGM210L模块具有专用的安全内核,该内核阻隔了运用处理器,并供给快速、节能的加密操作以及差分功耗分析(DPA)对策。契合NIST和AIS-31要求的真随机数生成器(TRNG)能够增强器材加密。具有信任根和安全加载程序(Root of Trust and Secure Loader, RTSL)技能的安全启动(Secure Boot)有助于避免歹意软件侵入和回滚,保证可靠的固件履行和OTA更新。具有共同确定/解锁功用的安全调试接口答应进行通过身份验证的访问,以增强毛病分析能力。该模块的Arm Cortex-M33内核集成了TrustZone技能,可为可信软件架构完成系统级的硬件阻隔。

  完好的模块处理方案应顺便强壮的无线软件协议栈,然后使开发人员能够挑选规范协议,例如Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh和Bluetooth Low Energy。此外,开发人员应当希望全面的软件支撑,包括强壮的软件开发东西包(SDK)和高级东西,以协助验证网络功用并辅助调试,优化智能照明运用的功用和能耗。xGM210L模块带有功用强壮的开发东西套件,例如网络分析仪(Network Analyzer)、能耗分析器(Energy Profiler)等。SDK包括完成低能耗操作所需的一切库以及使灯泡与网络通信所需的一切驱动程序。

  定论

  毫无疑问,智能LED灯泡产品在住所、商业和工业商场中越来越受欢迎。现在能够运用全面的硬件和软件处理方案来简化联网照明产品的开发。通过优化的无线模块现已上市,可协助缩短上市时刻,削减开发和认证本钱,并处理OEM厂商或许面临的许多无线规划应战。

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