簡介
自從140年前第一個(gè)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(jìn)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(jìn),。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(yùn)行。
照明革命的下一個(gè)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(jī)會,。您可以通過簡單的智能手機(jī)應(yīng)用程序或語音助手來調(diào)整亮度,、色溫和定時(shí)，甚至在旅途中遠(yuǎn)程控制燈光,。以前聞所未聞的應(yīng)用包括無線接近傳感器觸發(fā)的智能燈在晚上當(dāng)您穿過房屋或建筑物時(shí)自動(dòng)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(fù),。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(lì)措施和法規(guī)，例如California Title 20,。根據(jù)研究和市場預(yù)測,，到2022年全球智能照明市場將達(dá)到240億美元，2018年至2023年的復(fù)合年增長率（CAGR）將高達(dá)21％,。
隨著越來越多的“物”相互連接以及消費(fèi)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
以經(jīng)濟(jì)高效的方式在LED燈泡中實(shí)現(xiàn)無線連接會給照明OEM廠商帶來一系列新的設(shè)計(jì)和實(shí)施的挑戰(zhàn),。例如,，智能LED燈泡必須滿足嚴(yán)格的RF法規(guī)要求、苛刻的能效標(biāo)準(zhǔn),、高溫等級以及嚴(yán)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(shè)備和網(wǎng)絡(luò)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(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)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(yùn)行，并使用幾種流行的基于標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線協(xié)議之一,，例如Zigbee,、低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）、藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Bluetooth Mesh）或Wi-Fi,。使用基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議有助于實(shí)現(xiàn)與普通消費(fèi)產(chǎn)品（例如語音助手,、智能手機(jī)和平板電腦）的互通，無需額外的自定義網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品,。某些智能LED設(shè)計(jì)可能需要多協(xié)議連接,，例如支持低功耗藍(lán)牙進(jìn)行設(shè)備設(shè)置和控制以及通過網(wǎng)關(guān)訪問基于Zigbee的多節(jié)點(diǎn)照明網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的能力。
藍(lán)牙或Zigbee等標(biāo)準(zhǔn)之外的專有無線協(xié)議也是一種選擇,。雖然在短期內(nèi)實(shí)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?biāo)準(zhǔn)的無線解決方案推動(dòng)了大批量生產(chǎn),，因此從長遠(yuǎn)來看可能是更具成本效益的選擇。而從眾多可用選項(xiàng)中選擇合適的無線技術(shù)和供應(yīng)商,，需要對RF設(shè)計(jì)以及性能權(quán)衡和風(fēng)險(xiǎn)有更深入的了解,。
智能LED設(shè)計(jì)也必須滿足傳統(tǒng)照明產(chǎn)品所不需要的無線標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)性能要求，例如電磁（EM）輻射和能耗,。
實(shí)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(yùn)營資源的實(shí)施挑戰(zhàn)：
· 要發(fā)展專業(yè)知識并分配資源以實(shí)施并成功完成標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的認(rèn)證測試，例如FCC和CE認(rèn)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(shè)置,，通常通過無線（OTA）更新,。
· 管理物料的采購和多個(gè)組件的庫存。
· 驗(yàn)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(shí)滿足嚴(yán)格的生產(chǎn)計(jì)劃并縮短上市時(shí)間,。
借助模塊解決方案消除設(shè)計(jì)和實(shí)施帶來的挑戰(zhàn)
雖然對于具有較少RF經(jīng)驗(yàn)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(xiàng)艱巨的任務(wù)，但現(xiàn)在可以使用經(jīng)過預(yù)先認(rèn)證的無線模塊解決方案來簡化智能LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)的任務(wù),，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(gè)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(shè)計(jì)的連接部分所需的關(guān)鍵組件,。模塊供應(yīng)商已經(jīng)完成了天線設(shè)計(jì),、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(wù),。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(yīng)商還提供易于使用的開發(fā)工具,，以支持和簡化設(shè)計(jì)和調(diào)試過程,。
通過在LED設(shè)計(jì)中使用無線模塊，照明OEM廠商無需擔(dān)心管理天線,、晶體振蕩器和無源器件等多個(gè)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(jìn)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(shè)計(jì)的模塊選項(xiàng)時(shí)，照明OEM廠商應(yīng)尋找專門為互聯(lián)照明應(yīng)用的特定需求而設(shè)計(jì)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(yīng)用優(yōu)化的模塊產(chǎn)品。MGM210L模塊支持Zigbee和Thread,，以及動(dòng)態(tài)多協(xié)議連接（例如Zigbee和Bluetooth Low Energy）,。BGM210L設(shè)計(jì)用于Bluetooth Low Energy或Bluetooth Mesh。這兩個(gè)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(shí)使開發(fā)人員能夠利用基于藍(lán)牙、Zigbee和Thread的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(shè)備針對照明應(yīng)用進(jìn)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(dòng)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(yīng)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(luò)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(yuǎn)程應(yīng)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(shè)備效率法規(guī)。許多運(yùn)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(shè)備的制造商進(jìn)行認(rèn)證,。
模塊解決方案可以幫助照明OEM廠商減少與RF設(shè)計(jì)、協(xié)議優(yōu)化和法規(guī)認(rèn)證有關(guān)的研發(fā)周期,。xGM210L模塊經(jīng)過了預(yù)先認(rèn)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(rèn)證相關(guān)的時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)因素,，從而使照明OEM廠商縮短數(shù)月的產(chǎn)品上市時(shí)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(shè)計(jì)帶來了復(fù)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(yùn)行（燈泡外殼在長時(shí)間使用后會變熱）,。
安全性是智能LED產(chǎn)品的另一個(gè)重要考量因素,。最近的媒體報(bào)道稱，黑客通過LED燈泡入侵了智能家居網(wǎng)絡(luò),，這已經(jīng)使消費(fèi)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(yīng)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(yīng)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(jī)數(shù)生成器（TRNG）可以增強(qiáng)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(dòng)（Secure Boot）有助于防止惡意軟件侵入和回滾,，確保可靠的固件執(zhí)行和OTA更新,。具有獨(dú)特鎖定/解鎖功能的安全調(diào)試接口允許進(jìn)行經(jīng)過身份驗(yàn)證的訪問,，以增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的硬件隔離,。
完整的模塊解決方案應(yīng)附帶強(qiáng)大的無線軟件協(xié)議棧，從而使開發(fā)人員可以選擇標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,，例如Zigbee,、Thread、Bluetooth Mesh和Bluetooth Low Energy,。此外,，開發(fā)人員應(yīng)當(dāng)期望全面的軟件支持，包括強(qiáng)大的軟件開發(fā)工具包（SDK）和高級工具,，以幫助驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)性能并輔助調(diào)試,，優(yōu)化智能照明應(yīng)用的性能和能耗。xGM210L模塊帶有功能強(qiáng)大的開發(fā)工具套件,，例如網(wǎng)絡(luò)分析儀（Network Analyzer）,、能耗分析器（Energy Profiler）等。SDK包含實(shí)現(xiàn)低能耗操作所需的所有庫以及使燈泡與網(wǎng)絡(luò)通信所需的所有驅(qū)動(dòng)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?，F(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(shí)間,，減少開發(fā)和認(rèn)證成本,，并解決OEM廠商可能面臨的許多無線設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。