【技术】多协议无线SoC解决方案白皮书：将智能互联照明带回家

时间： 2019-09-04 来源：Silicon Labs

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在本文中，将探讨消费市场中的一些自动化智能照明解决方案，以及如何为互联家庭应用提供最新的低功耗 MCU、无线技术和网状网络标准，从而加快市场发展。此外，还将探讨为 LED 灯泡增添智能连接性所需的要素，包括各种关键无线技术的比较，以及SILICON LABS（亦称“芯科科技”）业界首创的Wireless Gecko多协议无线SoC解决方案。

智能照明为何还未跨越鸿沟
从白炽灯泡到荧光灯再到LED，人们常见的灯泡已经历了140年的发展，而LED可能是最重要的进步之一。更具体地讲，智能LED开拓了爱迪生从未想象过的灯泡用途。

但是，互联照明已经出现很长时间，那么在互联网时代，它为什么没能像其他消费者导向型技术一样大获成功呢？

1. 智能照明安装不易，垫高成本
一个进入壁垒是安装互联照明所需的工作量。这项工作绝对不是自己动手那么简单。用户需要更换开关，这意味着要切断开关的电源，拆除开关，然后换上全新的开关。这种程度的家庭改造计划超出大多数屋主的能力范围。另一项束缚该市场发展的因素是成本。与任何事物一样，只要面向消费者的价格降低，采用率便会增加。新开关、接线以及安装硬件电路的人工成本并不便宜，即便LED已十分普及，成本仍然是一大障碍。但是现在，情况发生了变化。

在2014年，一只标准LED灯泡的售价为25美元，而今天，价格仅为约2美元。一个典型的美国家庭有40个灯座，设想一下，购置灯泡的费用降低了近1,000美元。此外，得益于多协议的灵活性与易用性优势，能提供更好的用户体验和增强的使用案例。可以简单地用Bluetooth对ZigBee设备部署网络，也可以同时运行zigbee或 Thread 和 Bluetooth。

除了成本，LED灯泡是真正自己动手的解决方案。只需将灯泡旋入现有灯座，便能立即通过智能手机连接。无处不在的连接也是LED的一大优势。几乎所有智能手机用户都了解如何使用连接。因此，仅仅是LED便克服了两个重要障碍：安装简单和易于使用。

2. 无线协议标准纷杂，多协议设计盼纾困
我们提到的另一个障碍，即截然不同的协议标准，也得以解决。如今，大部分互联灯泡使用zigbee或低能耗的Bluetooth。互联开关可使用私有协议以及zigbee。多协议已变得日渐重要，因为虽然每个标准都有自身的优势和劣势，但制造商没有兴趣冒着被淘汰的风险将赌注全部押在一个协议上。因此，如果解决方案能够让开发人员灵活决定最适合其应用的协议，那么该解决方案将以至今尚不存在的方式打开市场局面。选择单一无线协议的另一个因素是地区偏好。

例如，zigbee在美国有着强大的影响力，但在亚洲并不占主流。因此，供应商可能被迫构建一个在北美地区使用zigbee的产品版本，并构建另一个在亚洲使用低能耗Bluetooth的产品版本。这时，就需要Silicon Labs这样的供应商来提供帮助。

无论现在还是未来，全新的EFR32 Wireless Gecko都可简化连接性。全新的Wireless Gecko具有更多内存，提供无线软件更新等功能，支持应用增强和不断发展的现场协议需求。

例如，如果客户购买仅使用zigbee的灯具，则需要确保该灯具连接到现有zigbee网络或网关。然而采用多协议支持时，最终用户不一定要知道他们所连接的网络类型。

如果供应商同时支持zigbee和Bluetooth，局面将得到改变。设备将默认为Bluetooth并通过智能手机应用进行控制。该应用可以随后搜索其他网络，如果识别到zigbee网络，则加入。之后设备将进行配置或引导装载，作为zigbee设备使用。最终用户不需要知道发生了什么，除了使用应用，不必再因为其他任何事情而费心。

同样，添加网关可将网络扩展到本地网络之外。通过将照明网络连接到路由器，当用户不在家中时，也可以控制和监控设备。

当所有这一切发生时，用户甚至没有意识到后台发生的所有连接事件。它就这么默默地工作着。

现在，多协议兼容的灵活性与易用性已成为竞争优势，可提供更好的用户体验和增强的使用案例。

让普通LED灯泡实现智能化
LED 灯泡历经数代发展，现在拥有更好的色彩平衡、更强的可靠性和更低的成本。许多 LED 灯泡制造商正在研究如何创造出更具创新性的智能互联灯泡。要想为 LED 灯泡增添智能无线连接性，需要克服一些设计方面的挑战。适用于zigbee和 Bluetooth Smart 的 RF 模块可轻松获得。从高层次的观点来看，单纯地将 RF 模块添加至现有设计似乎十分简单。

LED灯泡中的电子镇流器通常包含PMIC和一些高电压分立元件。电子镇流器通常以恒定电流驱动 LED灯泡，以实现恒定亮度，不因输入电压或温度而变化。该电子元件还提供良好的功率因数，并且可与传统的壁式调光器一同使用。

PMIC 通常包括为 PMIC 本身供电的辅助电源。PMIC辅助电源也可为MCU、无线SoC或 RF模块供电。辅助电源通常为不稳定的10至15V电源。因此，需要线性稳压器来降低此电压，从而提供稳定的3V或1.8V电源。

第二项挑战是如何关闭LED或对LED进行调光。一个方法是，在LED的阴极与地之间添加一个MOSFET，以便MCU用于开关控制。如果PMIC最初是针对恒定负载设计的，则该方法会带来一些问题。禁用PMIC也会禁用辅助电源，因此不可行。

向 LED 灯泡增添智能连接性所需的电路
前几代智能互联LED灯泡利用经过修改的基本LED灯泡设计。下一代智能LED灯泡将镇流器电子元件与专门为智能灯泡设计的PMIC相结合。这些设计包括始终启用的稳定低压电源，并且无需额外的 MOSFET 即可控制LED的亮度。

EPA 能源之星计划和加州能源委员会（CEC）的 Title 20 电器效率计划等节能标准对于待机电流或被吸取的电流有着严格的要求。能源之星灯泡规范 2.0 版本规定，待机功率须低于 500 mW。CEC 的 Title 20 则更加严格，规定在待机模式下，功率须低于 200 mW。虽然无线收发器功耗远低于该限制，但要将交流线路电压转换到 RF 收发器电压，这仍是一项挑战。辅助电源需要以超过 50% 的效率和小于100mW的静态电流消耗为 RF 模块提供约 50 mW的功率。

RF 模块和天线的布置提出了一些物理设计方面的挑战。基本 LED 灯泡的镇流器电路板周围通常设有金属屏障，以最大程度地降低开关电源的电磁干扰。智能 LED 灯泡设计需要屏蔽镇流器，并为 RF 提供良好的天线。如果 RF 模块垂直放置于灯泡顶部附近，则该模块上的简单 PCB 天线或许能够工作。然而，这可能会干扰光传导并使智能半导体靠近 LED 热源。设计者需要仔细考虑 RF 性能对灯泡可用性的影响。对于消费者而言，可靠的连接十分重要。

最后但同样重要的是，RF 模块的温度环境也是一项考虑因素。在理想情况下，RF 模块应远离发热的 LED 和镇流器电子元件。然而，该想法有时候并不实际。通过监控 LED 和无线 SoC 的温度并调暗 LED 以限制发热，可以提高 LED 和无线 SoC 的可靠性。设置在 LED 附近的热敏电阻可监控 LED 温度，同时无线SoC可能有片上温度传感器。

无线更新和共用引导装载程序
最后，适应未来需求的现有设备是无线功能的主要优势之一。在不需要外部存储器的情况下将新映像文件传输至无线设备，这意味着供应商能够为现有设备带来新的功能。

正如我们之前讨论的那样，一个家庭有 40 只灯泡并不罕见。当最新的Bluetooth标准发布时，手动更换每只灯泡将会相当麻烦，但现在您不必担忧。

通过使用适用于所有无线标准的公用引导装载程序，您不再受限于仅更新至最新版本的zigbee或Bluetooth等。您将能够根据需要在zigbee和Bluetooth之间来回切换。

了解更多Silicon Labs的无线多协议解决方案，请联系世强。

相关技术文档：

Silicon Labs EFR32FG13 EFR32 Blue Gecko SoC数据手册详情>>>

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MalikXiong Lv6. 高级专家 2021-12-13

学习
雾影灵 Lv4. 资深工程师 2019-11-13

不知道这个是否存在辐射问题
用户83211773 Lv3. 高级工程师 2017-12-25

学习了
酷乐 Lv7. 资深专家 2017-12-24

学习了
承毅 Lv8. 研究员 2017-12-13

收了

龙大 Lv7. 资深专家 2017-12-13

学习
老杰克 Lv7. 资深专家 2017-12-08

不错
罗花流水 Lv7. 资深专家 2017-11-18

学习了，以后可能用得上
慧慧1985 Lv7. 资深专家 2017-11-06

很好，值得参考
BATI Lv7. 资深专家 2017-11-01

涨知识了

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