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Silicon Labs 供稿 簡(jiǎn)介 自從140年前第一個(gè)商用的白熾燈泡問(wèn)世以來(lái)，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(wú)數，而且有據可查。與現代的白熾燈泡相比，它們通常節省75％的能量，使用壽命可以延長(cháng)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(xiàn)或紅外線(xiàn)，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(gè)浪潮即將來(lái)臨：智能互聯(lián)照明。為L(cháng)ED燈泡添加無(wú)線(xiàn)連接和聯(lián)網(wǎng)功能，不僅提供了簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)功能，還提供了更多的機會(huì )。您可以通過(guò)簡(jiǎn)單的智能手機應用程序或語(yǔ)音助手來(lái)調整亮度、色溫和定時(shí)，甚至在旅途中遠程控制燈光。以前聞所未聞的應用包括無(wú)線(xiàn)接近傳感器觸發(fā)的智能燈在晚上當您穿過(guò)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(wú)限的。 與傳統照明相比，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(chǎng)中，智能照明的采用率正在穩步提高，這在一定程度上得益于采用了綠色能源激勵措施和法規，例如California Title 20。根據研究和市場(chǎng)預測，到2022年全球智能照明市場(chǎng)將達到240億美元，2018年至2023年的復合年增長(cháng)率（CAGR）將高達21％。 隨著(zhù)越來(lái)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增長(cháng)。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)系統的原因。 智能LED設計挑戰 以經(jīng)濟高效的方式在LED燈泡中實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接會(huì )給照明OEM廠(chǎng)商帶來(lái)一系列新的設計和實(shí)施的挑戰。例如，智能LED燈泡必須滿(mǎn)足嚴格的RF法規要求、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(kāi)發(fā)人員還必須考慮設備和網(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)鍵的設計考量因素是無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)協(xié)議之一，例如Zigbee、低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy）、藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（Bluetooth Mesh）或Wi-Fi。使用基于標準的協(xié)議有助于實(shí)現與普通消費產(chǎn)品（例如語(yǔ)音助手、智能手機和平板電腦）的互通，無(wú)需額外的自定義網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行設備設置和控制以及通過(guò)網(wǎng)關(guān)訪(fǎng)問(wèn)基于Zigbee的多節點(diǎn)照明網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的能力。 藍牙或Zigbee等標準之外的專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議也是一種選擇。雖然在短期內實(shí)現專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議可能很容易且具有成本效益，但這種選擇可能會(huì )帶來(lái)互操作性和可升級性的長(cháng)期挑戰�；跇藴实臒o(wú)線(xiàn)解決方案推動(dòng)了大批量生產(chǎn)，因此從長(cháng)遠來(lái)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(wú)線(xiàn)技術(shù)和供應商，需要對RF設計以及性能權衡和風(fēng)險有更深入的了解。 智能LED設計也必須滿(mǎn)足傳統照明產(chǎn)品所不需要的無(wú)線(xiàn)標準和法規性能要求，例如電磁（EM）輻射和能耗。 實(shí)施帶來(lái)的挑戰 為了將新的智能LED產(chǎn)品推向市場(chǎng)，照明OEM廠(chǎng)商還面臨著(zhù)一些涉及工程和運營(yíng)資源的實(shí)施挑戰： • 要發(fā)展專(zhuān)業(yè)知識并分配資源以實(shí)施并成功完成標準和法規的認證測試，例如FCC和CE認證。 • 要考慮確保產(chǎn)品部署到現場(chǎng)后的產(chǎn)品功能和安全性升級的設置，通常通過(guò)無(wú)線(xiàn)（OTA）更新。 • 管理物料的采購和多個(gè)組件的庫存。 • 驗證與智能家居或智能建筑中其他無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和生態(tài)系統的互操作性。 • 優(yōu)化物料清單（BOM）和開(kāi)發(fā)成本，以交付具有成本競爭力的產(chǎn)品，同時(shí)滿(mǎn)足嚴格的生產(chǎn)計劃并縮短上市時(shí)間。 借助模塊解決方案消除設計和實(shí)施帶來(lái)的挑戰 雖然對于具有較少RF經(jīng)驗和專(zhuān)業(yè)知識的開(kāi)發(fā)人員而言，向LED燈泡添加無(wú)線(xiàn)連接可能是一項艱巨的任務(wù)，但現在可以使用經(jīng)過(guò)預先認證的無(wú)線(xiàn)模塊解決方案來(lái)簡(jiǎn)化智能LED產(chǎn)品設計的任務(wù)，從而最大程度地減少照明OEM廠(chǎng)商面臨的許多挑戰。 無(wú)線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)設計、阻抗匹配、無(wú)源器件的調諧和集成以及協(xié)議開(kāi)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(zhuān)業(yè)知識的OEM廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，這些已完成的工程和集成工作可以帶來(lái)巨大的好處。此外，無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)工具，以支持和簡(jiǎn)化設計和調試過(guò)程。 通過(guò)在LED設計中使用無(wú)線(xiàn)模塊，照明OEM廠(chǎng)商無(wú)需擔心管理天線(xiàn)、晶體振蕩器和無(wú)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(jiǎn)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(shí)，照明OEM廠(chǎng)商應尋找專(zhuān)門(mén)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(chǎng)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(dòng)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(gè)新模塊旨在簡(jiǎn)化和加速功能豐富、顏色可選和可調光的LED燈的開(kāi)發(fā)，同時(shí)使開(kāi)發(fā)人員能夠利用基于藍牙、Zigbee和Thread的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )生態(tài)系統。 xGM210L模塊基于Silicon Labs Series 2 EFR32xG21無(wú)線(xiàn)片上系統（SoC）芯片，其外圍設備針對照明應用進(jìn)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(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(lái)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(wú)線(xiàn)電通過(guò)單協(xié)議或多協(xié)議連接來(lái)處理無(wú)線(xiàn)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百米視距連接的遠程應用。 諸如xGM210L器件之類(lèi)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(guò)了優(yōu)化，可以滿(mǎn)足California Title 20設備效率法規。許多運往美國市場(chǎng)的照明產(chǎn)品必須符合California Title 20法規，需要對照明控制設備的制造商進(jìn)行認證。 模塊解決方案可以幫助照明OEM廠(chǎng)商減少與RF設計、協(xié)議優(yōu)化和法規認證有關(guān)的研發(fā)周期。xGM210L模塊經(jīng)過(guò)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(wú)線(xiàn)認證相關(guān)的時(shí)間、成本和風(fēng)險因素，從而使照明OEM廠(chǎng)商縮短數月的產(chǎn)品上市時(shí)間。 隨著(zhù)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(lái)了復雜的尺寸、功率和散熱限制，而現有的無(wú)線(xiàn)解決方案無(wú)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(cháng)時(shí)間使用后會(huì )變熱）。 安全性是智能LED產(chǎn)品的另一個(gè)重要考量因素。最近的媒體報道稱(chēng)，黑客通過(guò)LED燈泡入侵了智能家居網(wǎng)絡(luò )，這已經(jīng)使消費者和照明開(kāi)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(chǎng)商應尋求能夠提供內置硬件安全功能的模塊，無(wú)需增加成本，即可使開(kāi)發(fā)人員能夠在智能LED產(chǎn)品中實(shí)現強大的安全性。 例如，xGM210L模塊具有專(zhuān)用的安全內核，該內核隔離了應用處理器，并提供快速、節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(shù)的安全啟動(dòng)（Secure Boot）有助于防止惡意軟件侵入和回滾，確�？煽康墓碳䦂绦泻蚈TA更新。具有獨特鎖定/解鎖功能的安全調試接口允許進(jìn)行經(jīng)過(guò)身份驗證的訪(fǎng)問(wèn)，以增強故障分析能力。該模塊的Arm Cortex-M33內核集成了TrustZone技術(shù)，可為可信軟件架構實(shí)現系統級的硬件隔離。 完整的模塊解決方案應附帶強大的無(wú)線(xiàn)軟件協(xié)議棧，從而使開(kāi)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(kāi)發(fā)人員應當期望全面的軟件支持，包括強大的軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）和高級工具，以幫助驗證網(wǎng)絡(luò )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(kāi)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 )通信所需的所有驅動(dòng)程序。 結論 毫無(wú)疑問(wèn)，智能LED燈泡產(chǎn)品在住宅、商業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)中越來(lái)越受歡迎�，F在可以使用全面的硬件和軟件解決方案來(lái)簡(jiǎn)化聯(lián)網(wǎng)照明產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)模塊現已上市，可幫助縮短上市時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)和認證成本，并解決OEM廠(chǎng)商可能面臨的許多無(wú)線(xiàn)設計挑戰。 |
