簡介

自從 140 年前第一個商用的白熾燈泡問世以來，發光二極管（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，不發出紫外線或紅外線，不含汞，耐沖擊，并能在極端環境下有效運行。

照明革命的下一個浪潮即將來臨：智能互聯照明。為 LED 燈泡添加無線連接和聯網功能，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。

與傳統照明相比，智能照明仍處于新生階段，但是在住宅、商業和工業市場中，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，對智能互聯照明的接受和需求將繼續增長。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系統的原因。

智能 LED 設計挑戰

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。例如，智能 LED 燈泡必須滿足嚴格的 RF 法規要求、苛刻的能效標準、高溫等級以及嚴格的產品尺寸和空間限制。照明開發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議也是一種選擇。雖然在短期內實現專有無線協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。基于標準的無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照明產品所不需要的無線標準和法規性能要求，例如電磁（EM）輻射和能耗。

實施帶來的挑戰

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：

? 要發展專業知識并分配資源以實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網產品和生態系統的互操作性。

? 優化物料清單（BOM）和開發成本，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

雖然對于具有較少 RF 經驗和專業知識的開發人員而言，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。

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議開發等以射頻為中心的艱巨任務。對于自身可能缺乏必要 RF 或協議專業知識的 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，包括所選的協議棧。模塊供應商還提供易于使用的開發工具，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化的模塊產品。MGM210L 模塊支持 Zigbee 和 Thread，以及動態多協議連接（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，同時使開發人員能夠利用基于藍牙、Zigbee 和 Thread 的網狀網絡生態系統。

xGM210L 模塊基于 Silicon Labs Series 2 EFR32xG21 無線片上系統（SoC）芯片，其外圍設備針對照明應用進行了優化。該 SoC 包含低功耗的 Arm? Cortex?-M33 處理器內核，足夠支持動態多協議操作和 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 協議和 Bluetooth Low Energy 的高性能 2.4 GHz 射頻收發器。無線電通過單協議或多協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化，可以滿足 California Title 20 設備效率法規。許多運往美國市場的照明產品必須符合 California Title 20 法規，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、協議優化和法規認證有關的研發周期。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，確保可靠的固件執行和 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議棧，從而使開發人員可以選擇標準協議，例如 Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh 和 Bluetooth Low Energy。此外，開發人員應當期望全面的軟件支持，包括強大的軟件開發工具包（SDK）和高級工具，以幫助驗證網絡性能并輔助調試，優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、商業和工業市場中越來越受歡迎。現在可以使用全面的硬件和軟件解決方案來簡化聯網照明產品的開發。經過優化的無線模塊現已上市，可幫助縮短上市時間，減少開發和認證成本，并解決 OEM 廠商可能面臨的許多無線設計挑戰。

審核編輯 黃昊宇