村田制作所在智能LED照明领域的浅析

关键词： LED照明 , 无线控制 , ZigBee , WiFi

        1.LED照明市场发展前景
节约能源和环境保护是中国“十二五”计划中提及的重点内容之一。在照明领域，LED照明与传统白炽灯以及节能灯相比,更节能、更环保、使用寿命更长等诸多优势突出。全球主要国家和地区的白炽灯禁售计划也将在2014 年陆续生效，2014年1月1日，美国宣布将不再生产60瓦和40瓦的白炽灯；加拿大也正式禁用75瓦及100瓦的白炽灯。而欧盟在2012年已全面禁止销售白炽灯。整个照明市场来看，许多芯片厂家和照明厂家也慢慢将重心转向LED。LED灯在中国也会迎来空前的发展。在实际应用层面LED虽然具有明显优势，但价格比较贵，还没有被广泛推广。
随着物联网产业的发展，智能LED照明已成为物联网领域中重要的一部分。智能的定义很广泛，可以是有线的方式，在现有的照明基初上加上调光，情景绑定等。还有就是，随着移动设备的功能不断升级，利用无线的方式对灯光进行控制是未来智能照明的一个方向。尤其是远程控制，将会给用户带来很多的便利，比如上班时也可以查看家里的灯是否有关，还能对它进行控制。它对节约能源也有重大意义。村田主要关注无线控制领域的技术发展。
那么何为无线控制呢？就是通过智能手机或平板电脑用无线方式（如ZigBee，433MHz，Zwave，6LoWPAN，WiFi等）对灯进行开关，调光及调色等控制。因无需布线安装非常方便。433MHz的显著优势是无线信号穿透性强，传输距离远，对于简单的照明控制可以选择，如用遥控器控制灯之类。从通讯可靠性的角度来讲，433Mhz技术只支持星型网络的拓扑结构，通过多基站的方式实现网络覆盖空间的扩展，因此其无线通讯的可靠性和稳定性也逊于ZigBee技术。村田选择ZigBee和WiFi作为智能照明的无线解决方式。

无线控制照明系统





       

2.村田：ZigBee智能LED照明解决方案
ZigBee因其低功耗，高抗干扰能力及灵活的自动组网功能已被很多厂家选为智能照明的解决方式。但因为手机等设备中目前还没有ZigBee这个无线方式，所以现在用ZigBee的智能LED照明方案需要加网关来转换WiFi协议和ZigBee协议。

村田智能LED解决方案


该方案由村田的红外传感器，ZigBee模块以及村田最新开发的迷你网关等组成。 村田的迷你网关可以支持ZigBee联盟的ZigBee Light Link (ZLL)协议，也可以支持ZigBee Home Automation (ZHA) 协议。功能比较齐全的前提下实现了小尺寸低成本，它可以支持Ethernet和WiFi，采用内置天线。村田的设计团队可以按需定制设计，包括硬件、软件、结构、系统等等。村田为ZigBee模块开发ZLL协议或ZHA协议的Firmware，用这两种协议来控制灯、传感器和网关。ZigBee模块包括了功放可以增加发射距离，使用的射频和功放芯片都是来自Texas Instrument (TI)。村田也可以跟据不同的需求提供针对性系统解决方案，例如网关加ZigBee模块，或者网关加ZigBee模块加传感器组成网关节点的方案等等。村田ZigBee模块大小为19.8x15.1x2.2mm (LxWxH)，模块的小型化有助于PCB板上的合理化设计。加上村田设计的射频线路，使用功放发射时蚝的功力也只有120mA，接收30mA，再加上ZigBee技术本身是低功耗，助力实现节能效果。同时，村田将无线通信技术与传感器技术结合到一起开发了ZigBee传感器节点，便于客户使用。只要预留一个接口就可以直接连接到客户的终端产品上。村田可集成温度传感器、湿度传感器、红外线传感器、振动传感器等传感器产品制作ZigBee无线传输传感器节点。
村田还为智能LED照明开发了电源模块。此电源模块带有UART，DALI和PWM三种接口。UART接口可以接上通讯模块，这样工程师开发时串口方面可以省下研发时间。DALI是一种有线方式控制照明，目前在美国使用的多。PWM接口用来控制灯的亮度，实现调光和开关。村田ZigBee模块就是通过UART接口接上了电源模块，实现无线控制的。该模块在待机模式时，耗电只有0.2W，有效实现节能环保。目前村田电源模块的输出电压在30V-50V之间，它的高可靠性非常切合LED长使用寿命的特点。 村田的ZigBee智能LED照明系统已在村田制作所东京分公司专门设立的一个实验区内使用，旨在证明智能LED照明系统的节能功效。据数据统计，运用智能LED照明系统后，可以节约大概63%的电能，CO2排放量也减少大约63%。市场上也开始出现一些智能LED照明产品，飞利浦的Hue就是最好的例子。




       

3.有关WiFi在智能照明系统中的应用
WiFi是很常用的无线方式，而且几乎所有的手机都带此项功能，WiFi方式可以不必使用网关，因此目前也有不少厂商考虑使用WiFi作为智能LED照明中的无线通信方式。但WiFi的功耗依然是一个问题，目前已有一些芯片商开始研究低功耗WiFi芯片。村田也有适用与智能照明的WiFi模块。
村田嵌入式WiFi模块，在传统的WiFi模块上加入了MCU，采用的是博通WiFi芯片和ST的MCU。通常，通讯类移动终端产品(如手机，笔记本)具有强大的CPU和Flash进行数据处理和存储，因此在使用Wi-Fi时不需要额外的MCU。但是用于家电，仪表，LED灯等产品的Wi-Fi模块就不同了，由于产品的MCU和Flash都无法支持Wi-Fi的功能，因此需要额外的MCU和Flash进行数据处理和存储。村田嵌入式模块里加个MCU就是为了让客户能直接使用我们模块，灵活实现无线控制。
同时，村田的嵌入式Wi-Fi模块预留了UART的接口，简单地与终端产品的IC以UART方式连接，就可以实现TCP/IP数据包的双向透明传输，以字符命令就可以控制终端产品，监测终端产品的数据变化。如家用电器的开关、调温、预约、仪表的数据传输等等都可以通过手机或者Pad的无线传输，轻松实现。此方案无需改变终端产品原有的电路设计，只需加村田的嵌入式Wi-Fi模块就可以用掌中设备实现随时随地控制灯或其他家电。作为方案供应商，村田可提供强大的软件支持。包括实现室内控制和室外远程控制时所涉及到的一系列软件设计，以及链接层的整套软件支持，包括室内控制中嵌入式Wi-Fi模块的固件设计，底层链接软件设计，控制系统软件设计，UI底层软件设计等等|也包括室外远程控制中的Web服务器底层软件和云服务器底层软件设计。同样作为全球领先的电子元器件供应商，村田以丰富的经验和高端的设备帮客户完成天线的匹配与射频电路的设计。

村田嵌入式WiFi模块框图