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照明品牌大厂推出智能 LED 产品的秘密?

2020-03-30 16:06
世纪电源网
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智能照明的关注度日渐攀升,吸引Acuity Brands、Cree、Eaton、GE Lighting、Philips/Signify、Osram等顶尖照明品牌竞相推出智能LED产品。但是要以经济高效的方式在LED灯泡中实现蓝牙、Zigbee无线连接,引发了不少的设计挑战,例如需通过FCC和CE认证、支持OTA更新、考虑与其他IoT产品的互操作性等。

那么,照明品牌大厂是如何能快速开发智能照明产品并进入市场呢?答案是:“即插即用的多协议无线模块!”无线模块提供一个全方位的软硬件解决方案,整合LED设计中连接部分所需的关键组件,对于可能缺乏射频或协议专业知识的OEM厂商而言,这项集成工作带来极大的好处。

Silicon Labs(亦称“芯科科技”)的MGM210L和BGM210L模块,是市场上首批针对照明应用优化的模块产品。MGM210L模块支持Zigbee和Thread,以及动态多重协议(Zigbee和蓝牙)。BGM210L设计用于Bluetooth Low Energy或Bluetooth Mesh。这两个新型模块可以简化和加速开发功能丰富、颜色选择和调节亮度的LED灯。

智能照明的兴起

自從140年前第一個商用白熾燈泡問世以來,發光二極體(LED)燈泡是照明領域最大的進展。LED燈泡的優點眾多,並且有憑有據。相較於現今的白熾燈泡,至少可節省75%的能源,延長使用壽命達50倍以上。目前的LED燈泡比先前的產品已有明顯的改進。它們產生的熱量極少,無紫外線或紅外線輻射,不含汞、耐衝擊,在極端環境下也能穩定運作。

智能连网照明为LED灯泡增加无线连接和连网功能,不仅能简单的控制开/关,还创造出更多的机会。一般民众可以透过简单的智能型手机应用程序或语音助理来调整亮度、色温和定时,甚至在旅行时远程控制灯光。

其他前所未闻的应用包括无线接近传感器触发的智能灯泡,晚上当经过房屋或建筑物时自动照亮走廊和房间,或是卧室照明在早晨会将使用者逐渐唤醒,或医院照明利用色彩放松情绪、促进健康与康复。智慧连网照明带来的便利性和好处是说不尽的。

相较于传统照明,智慧照明仍处于发展初期,但是在住宅、商业和工业市场中,智慧照明的采用率正稳定增加,这在一定程度上受益于绿色能源激励措施和法规的采用,例如California Title 20。根据研究和市场预测,至2022年全球智慧照明市场将达到240亿美元,2018年至2023年的复合年成长率(CAGR)将高达21%。

智能LED设计需注意无线协议/网络安全

以经济高效的方式在LED灯泡中实现无线连接,将为照明OEM厂商带来一系列新的设计和实施的挑战。例如,智能型LED灯泡必须满足严格的RF法规要求、严苛的效能标准、耐高温以及严格的产品外型尺寸和空间限制。照明开发人员还必须考虑装置和网络的安全性,确保智能型LED灯泡与任何其他连网的IoT产品一样,能够抵抗恶意的黑客攻击。

另一个关键的设计考虑是无线协议的选择。许多可连接的灯泡都在2.4GHz频段运行,并采用几种普遍标准的短距离无线协议之一,例如Zigbee、Bluetooth Low Energy、Bluetooth Mesh或Wi-Fi。采用标准的协议有助于实现与一般消费产品(例如语音助理、智能型手机和平板计算机)的互动,毋须启用自定义网关的其他网络基础设施产品。某些智能型LED设计可能需要多重协议连接,例如支持Bluetooth Low Energy进行装置设定和控制,以及透过网关控制大规模节点的Zigbee照明Mesh网络的能力。

是否透过蓝牙或Zigbee标准之外的专有无线协议也是一种选项。虽然在短期内实现专有无线协议可能很简单且具备成本效益,但这种选择可能会带来互操作性和可升级性的长期挑战。基础标准的无线解决方案推动了大量生产,从长远来看可能是更经济高效的选择。在众多可用选项中,选择适合的无线技术和供货商,需要对RF设计以及效能权衡和风险有更深入的了解。智能型LED设计也必须满足传统照明产品所不需要的无线标准和法规效能需求,例如电磁(EM)辐射和耗能。

实现智能照明应用落地的挑战

为了将新型智能型LED产品推向市场,照明OEM厂商还面临一些有关工程和营运资源落地的挑战:

发展专业知识并分配资源来施行并成功完成标准和法规的认证测试,例如FCC和CE认证。

需考虑确保产品部署到现场后产品功能和安全性升级的设置,通常透过无线(OTA)更新。

管理物料采购和多种组件的库存。

检验在智能家庭或智能建筑中,与其他无线IoT产品和生态系统的互相操作性。

优化物料清单(BOM)和开发成本,提供具备成本竞争力的产品,同时满足严格的生产计划并缩短上市时间。

虽然对于缺乏RF经验和专业知识的开发人员而言,为LED灯泡增加无线连接可能是一项困难的任务,但现在可以使用预先认证的无线模块解决方案,来简化智能型LED产品设计的任务,可大幅减少照明OEM厂商所面临的众多挑战。

无线模块提供一个全方位的即插即用解决方案,整合开发人员完成LED设计中连接部分所需的关键组件。模块供货商已经完成了天线设计、阻抗匹配、被动组件的调谐和整合,以及协议开发等以RF为中心的艰巨任务。对于可能缺乏RF或协议专业知识的OEM厂商而言,这项工程和整合工作带来极大的好处。此外,无线模块通常含有所有必要软件,包括所选的协议堆栈。模块供货商也提供简易使用的开发工具,来支持和简化设计和调试过程。

在LED设计中使用无线模块,照明OEM厂商毋需担心管理天线、晶体振荡器和被动组件等众多RF组件的采购和库存。此外,同一模块还可应用于多个照明产品,更进一步简化采购和库存管理。

模块解决方案让智能照明设计更简单

在评估LED设计的模块选项时,照明OEM厂商应寻找专为互联照明应用的特定需求而设计的解决方案。例如,Silicon Labs的MGM210L和BGM210L模块,是照明市场上首批针对应用优化的模块产品。MGM210L模块支持Zigbee和Thread,以及动态多重协议连接(例如Zigbee和Bluetooth Low Energy)。BGM210L设计用于Bluetooth Low Energy或Bluetooth Mesh。这两个新型模块可以简化和加速开发功能丰富、颜色选择和调节亮度的LED灯,同时让开发人员能够利用蓝牙、Zigbee和Thread的Mesh生态系统。

除了上述所提的模块外,另一款xGM210L模块则是基于Silicon Labs Series 2系列的EFR32xG21无线系统单芯片(SoC),其外围装置针对照明应用进行了优化。此SoC包括低功耗的Arm Cortex-M33处理器核心;充足的内存可以支持动态多重协议操作和OTA固件更新,确保智能照明产品满足未来需求;以及高效能2.4GHz RF收发器可以支持802.15.4、Bluetooth Mesh协议和Bluetooth Low Energy。无线电透过单一协议或多重协议连接处理无线网络功能。整合式的RF功率放大器使xGM210L模块能够处理需要数百公尺视距连接的远程应用。

该组件的高能效模块可提供较低的运作功耗水平,该功耗水平已被优化以满足California Title 20装置效能法规。许多运往美国市场的照明产品必须符合California Title 20法规,针对照明控制装置的制造商进行认证。

总结来说,模块解决方案能帮助照明OEM厂商缩短与RF设计、协议优化和法规认证相关的研发周期,像是xGM210L模块经过北美(FCC和ISED)、欧洲(CE)、韩国和日本的预先认证,可将与全球无线认证相关的时间、成本和风险因素降至最低,有助照明OEM厂商缩短数月的产品上市时间。另外,随着制造商为更多LED产品增加RF连接,小型灯泡设计带来复杂的尺寸、功率和散热限制,以现有的无线解决方案无法轻松解决,模块解决方案也可解决这些限制。

同时,安全性是智能型LED产品的另一项重要考虑。近期有媒体报导黑客透过LED灯泡入侵智能家庭网络,使消费者和照明开发商开始意识到,从灯泡连接到云端对安全性的迫切需求。照明OEM厂商应寻找能够提供内建硬件安全功能的模块,并且毋需增加成本,使开发人员能够在智能型LED产品中实现最佳安全性。

此外,完整的模块解决方案应有强大的无线软件协议堆栈,使开发人员能够选择标准协议,例如Zigbee、Thread、Bluetooth mesh和Bluetooth Low Energy。另外,开发人员应该期望完整的软件支持,包括强大的软件开发工具包(SDK)和进阶工具,有助验证网络效能并辅助调试,优化智能照明应用的效能和功耗。

毫无疑问的,智能型LED灯泡产品在住宅、商业和工业市场中越来越受欢迎。现在可以使用全面的硬件和软件解决方案简化连网照明产品的开发。应用优化的无线模块现已上市,有助缩短上市时间,降低开发和认证成本,并解决OEM厂商可能面临的诸多无线设计挑战。

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