智能家庭照明系統(tǒng)

 由于能源管理與節(jié)能現(xiàn)今已成全球熱門話題，加上智能手機(jī)逐漸改變?nèi)祟惿罘绞剑?ldquo;智能家庭照明系統(tǒng)”因此成為照明產(chǎn)業(yè)里一個(gè)備受矚目的領(lǐng)域。 這個(gè)領(lǐng)域最大的技術(shù)進(jìn)展，就是利用“低功耗藍(lán)牙”(BLE)技術(shù)鏈接網(wǎng)絡(luò)并提供遙控功能。 低功耗藍(lán)牙是智能家庭自動(dòng)化與照明領(lǐng)域里被十分看好的技術(shù)。 它是傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)的升級(jí)版，同樣使用2.4GHz無線電頻段。 相較于傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)，低功耗藍(lán)牙較為明顯的特色之一就是耗電更低，因此適合用在LED照明。

從效能、壽命、光的質(zhì)量與可靠度來看，LED都是照明技術(shù)里面的佼佼者。 為L(zhǎng)ED照明添加智能功能，可進(jìn)一步提升相關(guān)產(chǎn)品的卓越性。 選擇式的開/關(guān)功能與亮度控制，可延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命并減少能耗。 當(dāng)輸入來自AC端且LED為恒定電流DC負(fù)載，電力質(zhì)量就成為L(zhǎng)ED照明另一個(gè)必須處理的主要考慮點(diǎn)。 LED照明還建議采用IEC61000-3-2 Class C諧波準(zhǔn)則、電磁干擾限制(CISPR 15)以及能源之星 (Energy Star)標(biāo)章(待機(jī)耗能)。 因此并不建議使用二極管橋式整流器搭配大容量電容器為L(zhǎng)ED照明供電。 我們建議的智能型LED驅(qū)動(dòng)器就能解決所有問題。

本文將探討的智能家庭照明，采用單片式線外LED驅(qū)動(dòng)器以及低功率藍(lán)牙模塊，并透過Android應(yīng)用程序進(jìn)行操控。這種智能家庭照明系統(tǒng)通過了所有由監(jiān)管機(jī)關(guān)建議使用的既有準(zhǔn)則。 此外它的待機(jī)耗能也非常低。 圖1是低功耗藍(lán)牙智能家庭照明系統(tǒng)的架構(gòu)方塊圖。

圖1：低功耗藍(lán)牙智能家庭照明系統(tǒng)的功能方塊圖

圖2則是智慧家庭照明系統(tǒng)實(shí)際使用的硬件，供生產(chǎn)就緒(ready-to-manufacture)解決方案開發(fā)之用。這套系統(tǒng)的配置主要分為三個(gè)方面：LED驅(qū)動(dòng)器電源供應(yīng)、微控制器單元，還有供使用者操控用的Android應(yīng)用程序。LED驅(qū)動(dòng)器采用了離線交直流轉(zhuǎn)換器，搭配具備高功率因數(shù)(PF)和低總協(xié)波失真(THD)的準(zhǔn)諧振反激模式。至于能源轉(zhuǎn)換則采用HVLED815PF，是一種單片式線外初級(jí)傳感恆定電流LED驅(qū)動(dòng)器。它很適合低成本低耗能應(yīng)用，因?yàn)槌跫?jí)端調(diào)節(jié)(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器產(chǎn)生LED電流反饋。它還有助于減少成本和印刷電路板面積，且符合國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)照明系統(tǒng)所推薦的IEC61000-3-2 Class C諧波準(zhǔn)則。這種LED驅(qū)動(dòng)器在歐盟(EU)全區(qū)效率均都超過84%，待機(jī)耗電也非常之低(<0.5W)。雖然HVLED815PF芯片沒有提供專用的脈寬調(diào)變(PWM)調(diào)光專用引腳，但脈寬調(diào)變調(diào)光在這款設(shè)計(jì)里仍然是可行的。調(diào)光的深度為輸出功率的2.5%。有了當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)仍可運(yùn)作的線外輔助電源設(shè)計(jì)，即使處于關(guān)閉狀態(tài)電路板仍與公用電力系統(tǒng)系統(tǒng)保持聯(lián)通。SPBTLE-RF(支持低功耗藍(lán)牙4.1版、網(wǎng)路處理器模組搭配整合式射頻輸入，且經(jīng)美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)﹝FCC﹞認(rèn)證)與STM32L051(超低功率微控制器)負(fù)責(zé)網(wǎng)路連接，還有利用Android應(yīng)用程式進(jìn)行遙控、開關(guān)等功能。此外還有其他功能，例如利用單一接口進(jìn)行多重電路板控制。以安裝了數(shù)款LED照明燈具的一般住家來說，增設(shè)這些高級(jí)設(shè)備時(shí)最重要的一點(diǎn)就是節(jié)省電費(fèi)。表1為智慧家庭照明系統(tǒng)規(guī)格，圖3-8則是LED驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試結(jié)果。

圖2則是智能家庭照明系統(tǒng)實(shí)際使用的硬件，供生產(chǎn)就緒(ready-to-manufacture)解決方案開發(fā)用。 這套系統(tǒng)的建置主要分為三個(gè)方面：LED驅(qū)動(dòng)器電源供應(yīng)、微控制器單元，還有供用戶操控用的Android應(yīng)用程序。 LED驅(qū)動(dòng)器采用了脫機(jī)交直流轉(zhuǎn)換器，搭配具備高功率因子(PF)和低總協(xié)波失真(THD)的準(zhǔn)共振返馳模式。 至于能源轉(zhuǎn)換則采用HVLED815PF，是一種單片式線外初級(jí)感測(cè)恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器。 它很適合低成本低耗能應(yīng)用，因?yàn)槌跫?jí)調(diào)節(jié)回授控制(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器產(chǎn)生LED電流反饋。 它還有助于減少成本和印刷電路板面積，且符合國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)針對(duì)照明系統(tǒng)所推薦的IEC61000-3-2 Class C諧波準(zhǔn)則。 這種LED驅(qū)動(dòng)器在歐盟(EU)全區(qū)效率均都超過84%，待機(jī)耗電也非常之低(<0.5W)。 雖然HVLED815PF芯片沒有提供專用的脈寬調(diào)變(PWM)調(diào)光專用引腳，但脈寬調(diào)變調(diào)光在這款設(shè)計(jì)里仍然是可行的。 調(diào)光的深度為輸出功率的2.5%。 有了當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)仍可運(yùn)作的線外輔助電源設(shè)計(jì)，即使處于關(guān)閉狀態(tài)電路板仍與公用電力系統(tǒng)系統(tǒng)保持聯(lián)通。 SPBTLE-RF(支持低功耗藍(lán)牙4.1版、網(wǎng)絡(luò)處理器模塊搭配整合式射頻輸入，且經(jīng)美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)﹝FCC﹞認(rèn)證)與STM32L051(超低功率微控制器)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)連接，還有利用Android應(yīng)用程序進(jìn)行遙控、開關(guān)等功能。 此外還有其他功能，例如利用單一接口進(jìn)行多重電路板控制。 以裝設(shè)了數(shù)款LED照明燈具的一般住家來說，增設(shè)這些高級(jí)設(shè)備時(shí)最重要的一點(diǎn)就是節(jié)省電費(fèi)。 表1為智能家庭照明系統(tǒng)規(guī)格，圖3-8則是LED驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試結(jié)果。

圖2：智能家庭照明系統(tǒng)的硬件與應(yīng)用程序

圖3：不同輸入電流下的功率因數(shù)值

圖4：不同輸入電流下的總諧波失真數(shù)值

圖5：不同輸入電流下的電流調(diào)節(jié)變化

圖6：效率隨輸入電流不同而有所變化

圖7：諧波測(cè)量結(jié)果

圖8：調(diào)光時(shí)的LED電流線性圖

示范Android應(yīng)用程序的使用

前面提過有專屬的Android應(yīng)用程序。 這款應(yīng)用程序必須使用支持低功耗藍(lán)牙的智能手機(jī)來執(zhí)行。 用戶可在屏幕上拖放以選擇特定照明器具。 以往Android智能手機(jī)只支持一組主從低功耗藍(lán)牙鏈接。 這代表用戶只能使用智能手機(jī)控制一組低功耗藍(lán)牙照明器具。 Android 5.0 Lollipop推出后，操作系統(tǒng)與相關(guān)硬件最多可支持7組主從低功耗藍(lán)牙鏈接。 這代表即使小家庭也可一次控制7組獨(dú)立的低功耗藍(lán)牙家電產(chǎn)品，像是燈具、電扇，對(duì)制造商來說都是很好的賣點(diǎn)。 我們?yōu)榈凸乃{(lán)牙照明設(shè)計(jì)所開發(fā)的Android應(yīng)用程序，能同時(shí)支持7組鏈接。 Google Nexus 9是一款支持多組鏈接的平板裝置，相關(guān)功能可能因行動(dòng)裝置制造商而有所不同。 圖9為Android應(yīng)用程序搭配智能照明的運(yùn)作情形。 正如前面提過的，以上所有LED燈具的硬件都支持低功耗藍(lán)牙鏈接。 利用這款A(yù)ndroid應(yīng)用程序，用戶可依如圖10所示選擇智能照明、燈泡或燈具等選項(xiàng)，然后將智能照明選項(xiàng)拖放到房屋配置圖。 在Android應(yīng)用程序方面，用戶必須獨(dú)立鏈接每一個(gè)LED燈具。 一旦建立鏈接，用戶就能控制個(gè)別燈具。

智能手機(jī)支持不同網(wǎng)絡(luò)鏈接技術(shù)，為不同產(chǎn)業(yè)部門開啟了各式各樣的使用案例，范圍小至家庭自動(dòng)化大到智慧城市。 隨著手機(jī)成本下滑，加上手機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)新標(biāo)準(zhǔn)相繼出爐，家庭自動(dòng)化將出現(xiàn)眾多使用案例，而智能照明就是智能家庭自動(dòng)化的必備項(xiàng)目或使用案例之一。 智能照明提供用戶更多彈性空間，讓他們能利用移動(dòng)電話控制燈具，同時(shí)有助于降低耗電。

圖9：示例應(yīng)用程序使用方式

圖10：示例如何使用應(yīng)用程序操作多種燈具

智能家庭照明系統(tǒng)適用于有氣氛照明功能及頻繁操控需求的智能家庭或場(chǎng)所。 LED的變化能帶來不同的照明體驗(yàn)。 這類燈具加上整合式控制功能，就能提供一種可提升用戶體驗(yàn)的照明解決方案。 只要縮小印刷電路板尺寸并使用Android應(yīng)用程序，就能強(qiáng)化智能家庭照明在日常生活領(lǐng)域的可用性和普及率。