智能家庭照明系统-电源网

由于能源管理与节能现今已成全球热门话题，加上智能手机逐渐改变人类生活方式，“智能家庭照明系统”因此成为照明产业里一个备受瞩目的领域。这个领域最大的技术进展，就是利用“低功耗蓝牙”(BLE)技术链接网络并提供遥控功能。低功耗蓝牙是智能家庭自动化与照明领域里被十分看好的技术。它是传统蓝牙技术的升级版，同样使用2.4GHz无线电频段。相较于传统蓝牙技术，低功耗蓝牙较为明显的特色之一就是耗电更低，因此适合用在LED照明。

从效能、寿命、光的质量与可靠度来看，LED都是照明技术里面的佼佼者。为LED照明添加智能功能，可进一步提升相关产品的卓越性。选择式的开／关功能与亮度控制，可延长系统寿命并减少能耗。当输入来自AC端且LED为恒定电流DC负载，电力质量就成为LED照明另一个必须处理的主要考虑点。 LED照明还建议采用IEC61000-3-2 Class C谐波准则、电磁干扰限制(CISPR 15)以及能源之星 (Energy Star)标章（待机耗能）。因此并不建议使用二极管桥式整流器搭配大容量电容器为LED照明供电。我们建议的智能型LED驱动器就能解决所有问题。

本文将探讨的智能家庭照明，采用单片式线外LED驱动器以及低功率蓝牙模块，并透过Android应用程序进行操控。这种智能家庭照明系统通过了所有由监管机关建议使用的既有准则。此外它的待机耗能也非常低。图1是低功耗蓝牙智能家庭照明系统的架构方块图。

图1：低功耗蓝牙智能家庭照明系统的功能方块图

图2则是智慧家庭照明系统实际使用的硬件，供生产就绪(ready-to-manufacture)解决方案开发之用。这套系统的配置主要分为三个方面：LED驱动器电源供应、微控制器单元，还有供使用者操控用的Android应用程序。LED驱动器采用了离线交直流转换器，搭配具备高功率因数(PF)和低总协波失真(THD)的准谐振反激模式。至于能源转换则采用HVLED815PF，是一种单片式线外初级传感恆定电流LED驱动器。它很适合低成本低耗能应用，因为初级端调节(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器产生LED电流反馈。它还有助于减少成本和印刷电路板面积，且符合国际电工委员会(IEC)针对照明系统所推荐的IEC61000-3-2 Class C谐波准则。这种LED驱动器在欧盟(EU)全区效率均都超过84%，待机耗电也非常之低(<0.5W)。虽然HVLED815PF芯片没有提供专用的脉宽调变(PWM)调光专用引脚，但脉宽调变调光在这款设计里仍然是可行的。调光的深度为输出功率的2.5%。有了当LED关闭时仍可运作的线外辅助电源设计，即使处于关闭状态电路板仍与公用电力系统系统保持联通。SPBTLE-RF（支持低功耗蓝牙4.1版、网路处理器模组搭配整合式射频输入，且经美国联邦通讯委员会﹝FCC﹞认证）与STM32L051（超低功率微控制器）负责网路连接，还有利用Android应用程式进行遥控、开关等功能。此外还有其他功能，例如利用单一接口进行多重电路板控制。以安装了数款LED照明灯具的一般住家来说，增设这些高级设备时最重要的一点就是节省电费。表1为智慧家庭照明系统规格，图3-8则是LED驱动器的测试结果。

图2则是智能家庭照明系统实际使用的硬件，供生产就绪(ready-to-manufacture)解决方案开发用。这套系统的建置主要分为三个方面：LED驱动器电源供应、微控制器单元，还有供用户操控用的Android应用程序。 LED驱动器采用了脱机交直流转换器，搭配具备高功率因子(PF)和低总协波失真(THD)的准共振返驰模式。至于能源转换则采用HVLED815PF，是一种单片式线外初级感测恒定电流LED驱动器。它很适合低成本低耗能应用，因为初级调节回授控制(Primary Side Regulation; PSR)并不需要光耦合器产生LED电流反馈。它还有助于减少成本和印刷电路板面积，且符合国际电工委员会(IEC)针对照明系统所推荐的IEC61000-3-2 Class C谐波准则。这种LED驱动器在欧盟(EU)全区效率均都超过84%，待机耗电也非常之低(<0.5W)。虽然HVLED815PF芯片没有提供专用的脉宽调变(PWM)调光专用引脚，但脉宽调变调光在这款设计里仍然是可行的。调光的深度为输出功率的2.5%。有了当LED关闭时仍可运作的线外辅助电源设计，即使处于关闭状态电路板仍与公用电力系统系统保持联通。 SPBTLE-RF（支持低功耗蓝牙4.1版、网络处理器模块搭配整合式射频输入，且经美国联邦通讯委员会﹝FCC﹞认证）与STM32L051（超低功率微控制器）负责网络连接，还有利用Android应用程序进行遥控、开关等功能。此外还有其他功能，例如利用单一接口进行多重电路板控制。以装设了数款LED照明灯具的一般住家来说，增设这些高级设备时最重要的一点就是节省电费。表1为智能家庭照明系统规格，图3-8则是LED驱动器的测试结果。

图2：家庭照明系统的硬件与应用程序

表1：智能家庭照明系统规格

图3：不同输入电流下的功率因数值

图4：不同输入电流下的总谐波失真数值

图5：不同输入电流下的电流调节变化

图6：效率随输入电流不同而有所变化

图7：谐波测量结果

图8：调光时的LED电流线性图

示范Android应用程序的使用

前面提过有专属的Android应用程序。这款应用程序必须使用支持低功耗蓝牙的智能手机来执行。用户可在屏幕上拖放以选择特定照明器具。以往Android智能手机只支持一组主从低功耗蓝牙链接。这代表用户只能使用智能手机控制一组低功耗蓝牙照明器具。 Android 5.0 Lollipop推出后，操作系统与相关硬件最多可支持7组主从低功耗蓝牙链接。这代表即使小家庭也可一次控制7组独立的低功耗蓝牙家电产品，像是灯具、电扇，对制造商来说都是很好的卖点。我们为低功耗蓝牙照明设计所开发的Android应用程序，能同时支持7组链接。 Google Nexus 9是一款支持多组链接的平板装置，相关功能可能因行动装置制造商而有所不同。图9为Android应用程序搭配智能照明的运作情形。正如前面提过的，以上所有LED灯具的硬件都支持低功耗蓝牙链接。利用这款Android应用程序，用户可依如图10所示选择智能照明、灯泡或灯具等选项，然后将智能照明选项拖放到房屋配置图。在Android应用程序方面，用户必须独立链接每一个LED灯具。一旦建立链接，用户就能控制个别灯具。

智能手机支持不同网络链接技术，为不同产业部门开启了各式各样的使用案例，范围小至家庭自动化大到智慧城市。随着手机成本下滑，加上手机联网技术新标准相继出炉，家庭自动化将出现众多使用案例，而智能照明就是智能家庭自动化的必备项目或使用案例之一。智能照明提供用户更多弹性空间，让他们能利用移动电话控制灯具，同时有助于降低耗电。