应用优化的无线模块：智能LED灯泡设计的好点子
Silicon Labs 供稿
简介
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）灯泡是照明领域的最大进步。LED灯的好处无数，而且有据可查。与现代的白炽灯泡相比，它们通常节省75％的能量，使用寿命可以延长50倍以上。今天的LED灯泡比以前的LED灯泡有了很大的改进。它们产生的热量极少，不发出紫外线或红外线，不含汞，耐冲击，并能在极端环境下有效运行。
照明革命的下一个浪潮即将来临：智能互联照明。为LED灯泡添加无线连接和联网功能，不仅提供了简单的开/关功能，还提供了更多的机会。您可以通过简单的智能手机应用程序或语音助手来调整亮度、色温和定时，甚至在旅途中远程控制灯光。以前闻所未闻的应用包括无线接近传感器触发的智能灯在晚上当您穿过房屋或建筑物时自动照亮走廊和房间，床头照明在早晨逐渐唤醒您，或医院照明使用色彩改善情绪、健康及加快康复。智能连接照明的便利性和好处是无限的。
与传统照明相比，智能照明仍处于新生阶段，但是在住宅、商业和工业市场中，智能照明的采用率正在稳步提高，这在一定程度上得益于采用了绿色能源激励措施和法规，例如California Title 20。根据研究和市场预测，到2022年全球智能照明市场将达到240亿美元，2018年至2023年的复合年增长率（CAGR）将高达21％。
随着越来越多的“物”相互连接以及消费者逐渐接受智能家居技术，对智能互联照明的接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仅竞相提供智能LED产品，而且还提供易于部署、可互操作、安全且可升级的完整照明生态系统的原因。
智能LED设计挑战
以经济高效的方式在LED灯泡中实现无线连接会给照明OEM厂商带来一系列新的设计和实施的挑战。例如，智能LED灯泡必须满足严格的RF法规要求、苛刻的能效标准、高温等级以及严格的产品尺寸和空间限制。照明开发人员还必须考虑设备和网络的安全性，并确保智能LED灯泡与任何其他已连接的IoT产品一样抵抗得住恶意黑客的攻击。
另一个关键的设计考量因素是无线协议的选择。许多可连接的灯都在2.4 GHz频段上运行，并使用几种流行的基于标准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。使用基于标准的协议有助于实现与普通消费产品（例如语音助手、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设计可能需要多协议连接，例如支持低功耗蓝牙进行设备设置和控制以及通过网关访问基于Zigbee的多节点照明网状网络的能力。
蓝牙或Zigbee等标准之外的专有无线协议也是一种选择。虽然在短期内实现专有无线协议可能很容易且具有成本效益，但这种选择可能会带来互操作性和可升级性的长期挑战。基于标准的无线解决方案推动了大批量生产，因此从长远来看可能是更具成本效益的选择。而从众多可用选项中选择合适的无线技术和供应商，需要对RF设计以及性能权衡和风险有更深入的了解。
智能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性能要求，例如电磁（EM）辐射和能耗。
实施带来的挑战
为了将新的智能LED产品推向市场，照明OEM厂商还面临着一些涉及工程和运营资源的实施挑战：
要发展专业知识并分配资源以实施并成功完成标准和法规的认证测试，例如FCC和CE认证。
要考虑确保产品部署到现场后的产品功能和安全性升级的设置，通常通过无线（OTA）更新。
管理物料的采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）和开发成本，以交付具有成本竞争力的产品，同时满足严格的生产计划并缩短上市时间。
借助模块解决方案消除设计和实施带来的挑战
虽然对于具有较少RF经验和专业知识的开发人员而言，向LED灯泡添加无线连接可能是一项艰巨的任务，但现在可以使用经过预先认证的无线模块解决方案来简化智能LED产品设计的任务，从而最大程度地减少照明OEM厂商面临的许多挑战。
无线模块旨在提供一个全方位的即插即用解决方案，该解决方案集成了开发人员完成LED设计的连接部分所需的关键组件。模块供应商已经完成了天线设计、阻抗匹配、无源器件的调谐和集成以及协议开发等以射频为中心的艰巨任务。对于自身可能缺乏必要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工作可以带来巨大的好处。此外，无线模块通常附带所有必需的软件，包括所选的协议栈。模块供应商还提供易于使用的开发工具，以支持和简化设计和调试过程。
通过在LED设计中使用无线模块，照明OEM厂商无需担心管理天线、晶体振荡器和无源器件等多个RF组件的采购和库存。此外，同一模块还可用于多种照明产品，从而进一步简化了采购和库存管理。
选择正确的模块解决方案
在评估LED设计的模块选项时，照明OEM厂商应寻找专门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模块是可用于照明市场的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。这两个新模块旨在简化和加速功能丰富、颜色可选和可调光的LED灯的开发，同时使开发人员能够利用基于蓝牙、Zigbee和Thread的网状网络生态系统。
xGM210L模块基于Silicon Labs Series2 EFR32xG21无线片上系统（SoC）芯片，其外围设备针对照明应用进行了优化。该SoC包含低功耗的Arm® Cortex®-M33处理器内核，足够支持动态多协议操作和OTA固件更新以确保智能照明产品未来适应性的内存，以及能够支持802.15.4、Bluetooth Mesh协议和Bluetooth Low Energy的高性能2.4 GHz射频收发器。无线电通过单协议或多协议连接来处理无线网络功能。集成的RF功率放大器还使得xGM210L模块能够处理需要数百米视距连接的远程应用。
诸如xGM210L器件之类的高能效模块可提供较低的有功功耗水平，该功耗水平经过了优化，可以满足California Title 20设备效率法规。许多运往美国市场的照明产品必须符合California Title 20法规，需要对照明控制设备的制造商进行认证。
模块解决方案可以帮助照明OEM厂商减少与RF设计、协议优化和法规认证有关的研发周期。xGM210L模块经过了预先认证，可以在北美（FCC和ISED）、欧洲（CE）、韩国和日本使用，旨在最大程度地减少与全球无线认证相关的时间、成本和风险因素，从而使照明OEM厂商缩短数月的产品上市时间。
随着制造商为更多的LED产品增加RF连接性，小尺寸灯泡设计带来了复杂的尺寸、功率和散热限制，而现有的无线解决方案无法轻松解决这些限制。xGM210L模块旨在解决这些限制。该模块的定制印制电路板（PCB）尺寸（16 mm x 23 mm）符合大多数LED灯泡外壳的紧凑尺寸。它还具有最高+125°C的额定温度，可确保在灯泡外壳中可靠地运行（灯泡外壳在长时间使用后会变热）。
安全性是智能LED产品的另一个重要考量因素。最近的媒体报道称，黑客通过LED灯泡入侵了智能家居网络，这已经使消费者和照明开发商都意识到了从灯泡本身到云端对于安全的迫切需求。照明OEM厂商应寻求能够提供内置硬件安全功能的模块，无需增加成本，即可使开发人员能够在智能LED产品中实现强大的安全性。
例如，xGM210L模块具有专用的安全内核，该内核隔离了应用处理器，并提供快速、节能的加密操作以及差分功耗分析（DPA）对策。符合NIST和AIS-31要求的真随机数生成器（TRNG）可以增强器件加密。具有信任根和安全加载程序（Root of Trust and Secure Loader, RTSL）技术的安全启动（Secure Boot）有助于防止恶意软件侵入和回滚，确保可靠的固件执行和OTA更新。具有独特锁定/解锁功能的安全调试接口允许进行经过身份验证的访问，以增强故障分析能力。该模块的Arm Cortex-M33内核集成了TrustZone技术，可为可信软件架构实现系统级的硬件隔离。
完整的模块解决方案应附带强大的无线软件协议栈，从而使开发人员可以选择标准协议，例如Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh和Bluetooth Low Energy。此外，开发人员应当期望全面的软件支持，包括强大的软件开发工具包（SDK）和高级工具，以帮助验证网络性能并辅助调试，优化智能照明应用的性能和能耗。xGM210L模块带有功能强大的开发工具套件，例如网络分析仪（Network Analyzer）、能耗分析器（Energy Profiler）等。SDK包含实现低能耗操作所需的所有库以及使灯泡与网络通信所需的所有驱动程序。
结论
毫无疑问，智能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来简化联网照明产品的开发。经过优化的无线模块现已上市，可帮助缩短上市时间，减少开发和认证成本，并解决OEM厂商可能面临的许多无线设计挑战。
