應用優(yōu)化的無線模塊：智能LED燈泡設計的好點子

Silicon Labs 供稿

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）燈泡是照明領域的最大進步。LED燈的好處無數，而且有據可查。與現代的白熾燈泡相比，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)網功能，不僅提供了簡單的開/關功能，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，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)

以經濟高效的方式在LED燈泡中實現無線連接會給照明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品尺寸和空間限制。照明開發(fā)人員還必須考慮設備和網絡的安全性，并確保智能LED燈泡與任何其他已連接的IoT產品一樣抵抗得住惡意黑客的攻擊。

另一個關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）、藍牙網狀網絡（Bluetooth Mesh）或Wi-Fi。使用基于標準的協(xié)議有助于實現與普通消費產品（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關和網絡基礎設施產品。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關訪問基于Zigbee的多節(jié)點照明網狀網絡的能力。

藍牙或Zigbee等標準之外的專有無線協(xié)議也是一種選擇。雖然在短期內實現專有無線協(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，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和供應商，需要對RF設計以及性能權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。

·   要考慮確保產品部署到現場后的產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)網產品和生態(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品，同時滿足嚴格的生產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，但現在可以使用經過預先認證的無線模塊解決方案來簡化智能LED產品設計的任務，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鍵組件。模塊供應商已經完成了天線設計、阻抗匹配、無源器件的調諧和集成以及協(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的網狀網絡生態(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品未來適應性的內存，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)認證有關的研發(fā)周期。xGM210L模塊經過了預先認證，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的時間、成本和風險因素，從而使照明OEM廠商縮短數月的產品上市時間。

隨著制造商為更多的LED產品增加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絡，這已經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產品中實現強大的安全性。

例如，xGM210L模塊具有專用的安全內核，該內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/解鎖功能的安全調試接口允許進行經過身份驗證的訪問，以增強故障分析能力。該模塊的Arm Cortex-M33內核集成了TrustZone技術，可為可信軟件架構實現系統(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，以幫助驗證網絡性能并輔助調試，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，例如網絡分析儀（Network Analyzer）、能耗分析器（Energy Profiler）等。SDK包含實現低能耗操作所需的所有庫以及使燈泡與網絡通信所需的所有驅動程序。

結論

毫無疑問，智能LED燈泡產品在住宅、商業(yè)和工業(yè)市場中越來越受歡迎?，F在可以使用全面的硬件和軟件解決方案來簡化聯(lián)網照明產品的開發(fā)。經過優(yōu)化的無線模塊現已上市，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)。