智能家庭照明系統

由于能源管理與節能現今已成全球熱門話題，加上智能手機逐漸改變人類生活方式，“智能家庭照明系統”因此成為照明產業里一個備受矚目的領域。 這個領域最大的技術進展，就是利用“低功耗藍牙”(BLE)技術鏈接網絡并提供遙控功能。 低功耗藍牙是智能家庭自動化與照明領域里被十分看好的技術。 它是傳統藍牙技術的升級版，同樣使用2.4GHz無線電頻段。 相較于傳統藍牙技術，低功耗藍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、光的質量與可靠度來看，LED都是照明技術里面的佼佼者。 為LED照明添加智能功能，可進一步提升相關產品的卓越性。 選擇式的開/關功能與亮度控制，可延長系統壽命并減少能耗。 當輸入來自AC端且LED為恒定電流DC負載，電力質量就成為LED照明另一個必須處理的主要考慮點。 LED照明還建議采用IEC61000-3-2 Class C諧波準則、電磁干擾限制(CISPR 15)以及能源之星 (Energy Star)標章(待機耗能)。 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LED照明供電。 我們建議的智能型LED驅動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驅動器以及低功率藍牙模塊，并透過Android應用程序進行操控。這種智能家庭照明系統通過了所有由監管機關建議使用的既有準則。 此外它的待機耗能也非常低。 圖1是低功耗藍牙智能家庭照明系統的架構方塊圖。

圖1：低功耗藍牙智能家庭照明系統的功能方塊圖

圖2則是智慧家庭照明系統實際使用的硬件，供生產就緒(ready-to-manufacture)解決方案開發之用。這套系統的配置主要分為三個方面：LED驅動器電源供應、微控制器單元，還有供使用者操控用的Android應用程序。LED驅動器采用了離線交直流轉換器，搭配具備高功率因數(PF)和低總協波失真(THD)的準諧振反激模式。至于能源轉換則采用HVLED815PF，是一種單片式線外初級傳感a定電流LED驅動器。它很適合低成本低耗能應用，因為初級端調節(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器產生LED電流反饋。它還有助于減少成本和印刷電路板面積，且符合國際電工委員會(IEC)針對照明系統所推薦的IEC61000-3-2 Class C諧波準則。這種LED驅動器在歐盟(EU)全區效率均都超過84%，待機耗電也非常之低(0.5W)。雖然HVLED815PF芯片沒有提供專用的脈寬調變(PWM)調光專用引腳，但脈寬調變調光在這款設計里仍然是可行的。調光的深度為輸出功率的2.5%。有了當LED關閉時仍可運作的線外輔助電源設計，即使處于關閉狀態電路板仍與公用電力系統系統保持聯通。SPBTLE-RF(支持低功耗藍牙4.1版、網路處理器模組搭配整合式射頻輸入，且經美國聯邦通訊委員會zFCC{認證)與STM32L051(超低功率微控制器)負責網路連接，還有利用Android應用程式進行遙控、開關等功能。此外還有其他功能，例如利用單一接口進行多重電路板控制。以安裝了數款LED照明燈具的一般住家來說，增設這些高級設備時最重要的一點就是節省電費。表1為智慧家庭照明系統規格，圖3-8則是LED驅動器的測試結果。

圖2則是智能家庭照明系統實際使用的硬件，供生產就緒(ready-to-manufacture)解決方案開發用。 這套系統的建置主要分為三個方面：LED驅動器電源供應、微控制器單元，還有供用戶操控用的Android應用程序。 LED驅動器采用了脫機交直流轉換器，搭配具備高功率因子(PF)和低總協波失真(THD)的準共振返馳模式。 至于能源轉換則采用HVLED815PF，是一種單片式線外初級感測恒定電流LED驅動器。 它很適合低成本低耗能應用，因為初級調節回授控制(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器產生LED電流反饋。 它還有助于減少成本和印刷電路板面積，且符合國際電工委員會(IEC)針對照明系統所推薦的IEC61000-3-2 Class C諧波準則。 這種LED驅動器在歐盟(EU)全區效率均都超過84%，待機耗電也非常之低(0.5W)。 雖然HVLED815PF芯片沒有提供專用的脈寬調變(PWM)調光專用引腳，但脈寬調變調光在這款設計里仍然是可行的。 調光的深度為輸出功率的2.5%。 有了當LED關閉時仍可運作的線外輔助電源設計，即使處于關閉狀態電路板仍與公用電力系統系統保持聯通。 SPBTLE-RF(支持低功耗藍牙4.1版、網絡處理器模塊搭配整合式射頻輸入，且經美國聯邦通訊委員會zFCC{認證)與STM32L051(超低功率微控制器)負責網絡連接，還有利用Android應用程序進行遙控、開關等功能。 此外還有其他功能，例如利用單一接口進行多重電路板控制。 以裝設了數款LED照明燈具的一般住家來說，增設這些高級設備時最重要的一點就是節省電費。 表1為智能家庭照明系統規格，圖3-8則是LED驅動器的測試結果。

圖2：智能家庭照明系統的硬件與應用程序

圖3：不同輸入電流下的功率因數值

圖4：不同輸入電流下的總諧波失真數值

圖5：不同輸入電流下的電流調節變化

圖6：效率隨輸入電流不同而有所變化

圖7：諧波測量結果

圖8：調光時的LED電流線性圖

示范Android應用程序的使用

前面提過有專屬的Android應用程序。 這款應用程序必須使用支持低功耗藍牙的智能手機來執行。 用戶可在屏幕上拖放以選擇特定照明器具。 以往Android智能手機只支持一組主從低功耗藍牙鏈接。 這代表用戶只能使用智能手機控制一組低功耗藍牙照明器具。 Android 5.0 Lollipop推出后，操作系統與相關硬件最多可支持7組主從低功耗藍牙鏈接。 這代表即使小家庭也可一次控制7組獨立的低功耗藍牙家電產品，像是燈具、電扇，對制造商來說都是很好的賣點。 我們為低功耗藍牙照明設計所開發的Android應用程序，能同時支持7組鏈接。 Google Nexus 9是一款支持多組鏈接的平板裝置，相關功能可能因行動裝置制造商而有所不同。 圖9為Android應用程序搭配智能照明的運作情形。 正如前面提過的，以上所有LED燈具的硬件都支持低功耗藍牙鏈接。 利用這款Android應用程序，用戶可依如圖10所示選擇智能照明、燈泡或燈具等選項，然后將智能照明選項拖放到房屋配置圖。 在Android應用程序方面，用戶必須獨立鏈接每一個LED燈具。 一旦建立鏈接，用戶就能控制個別燈具。

智能手機支持不同網絡鏈接技術，為不同產業部門開啟了各式各樣的使用案例，范圍小至家庭自動化大到智慧城市。 隨著手機成本下滑，加上手機聯網技術新標準相繼出爐，家庭自動化將出現眾多使用案例，而智能照明就是智能家庭自動化的必備項目或使用案例之一。 智能照明提供用戶更多彈性空間，讓他們能利用移動電話控制燈具，同時有助于降低耗電。

圖9：示例應用程序使用方式

圖10：示例如何使用應用程序操作多種燈具

智能家庭照明系統適用于有氣氛照明功能及頻繁操控需求的智能家庭或場所。 LED的變化能帶來不同的照明體驗。 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的照明解決方案。 只要縮小印刷電路板尺寸并使用Android應用程序，就能強化智能家庭照明在日常生活領域的可用性和普及率。