如何在智慧城市與工業建築中部署無線 LED 照明控制

具備無線控制的 LED 照明系統能帶來許多好處，包括降低能源成本 (碳排放也相對降低)、可控制照明度，而且由於 LED 燈具更可靠、運作壽命更長，因此可降低維護成本，也因此越來越常應用在智慧城市與工業 4.0 環境中。為了發揮最大效益，這些 LED 照明系統需要一個多功能的照明控制器：具備多種運作模式、感測與保護功能、高效率、90 至 300 V_AC 的寬廣工作電壓範圍，以及高功率因數與低總諧波失真 (THD)。此外也要具備微控制器 (MCU)、資料集中器和無線收發器，系統才算完整。從頭設計一個無線 LED 照明控制系統涉及許多領域，不但風險很高，還可能耽誤上市時間。

設計人員可改用預先設計的連網 LED 照明控制開發平台。這些平台具有高能效及高功率因數，搭配完善的無線控制功能 (開／關、調光與其他模式)，和多個獨立控制的 LED 通道，因此可提供最大設計彈性。平台中含有無線通訊模組，可支援低功耗藍牙 (BLE)、Zigbee 和 6LoWPAN 等通訊協定。此外，也具有開發環境的支援，包括可自訂的韌體、Free RTOS 與多種使用案例。

本文會先探討基本的 LED 運作與燈具結構，以及 LED 和燈具效率的測量指標。也會探討如何在智慧城市與工業 4.0 環境中使用分流器讓燈具發揮最大的可靠性與效能。接著會介紹 STMicroelectronics 與 onsemi 預先設計的連網 LED 照明驅動器、控制開發平台以及相關元件，並介紹其設計和部署考量。

要控制智慧型 LED 照明，首先要在每個燈串中控制 LED 之間的互動，讓燈具達到最佳化效能。還包括智慧型電源轉換，甚至對多個燈具進行無線控制 (軟硬體都包括在內)，以徹底提升街道照明與工業照明網路的效能。

典型的 LED 燈具會在一或多條燈串中串連多個 LED 燈。每個 LED 燈需要大約 3.5 V 驅動電壓。一條燈串通常含有 10 至 30 個 LED，可在 40 至 100 V 的電源下運作，電流消耗量大約 0.35 至 1.0 A，視個別 LED 的亮度而定 (圖 1)。

圖 1：智慧燈具用的兩條燈串，各含有 16 個 LED 燈。(圖片來源：onsemi)

光源亮度以 lm 作為量化單位，可測量肉眼的視亮度，並指出眼睛對可見光多種波長的敏感度。光源產生流明的效率稱為光效，以 lm/W 作為測量單位。LED 的光效比其他常見照明技術更高。但是，並非所有 LED 的光效都相同，有些 LED 比其他高得多。而且，若以更高的電流驅動，LED 會產生更多光線。

LED 比其他照明技術更可靠，但也絕非完美。LED 會故障，尤其是在高效能燈具中過度驅動時，例如街道照明和工業照明所使用的燈具。LED 故障可能是短路或開路。若燈串中某個 LED 在短路情況下故障，該 LED 會變暗，但燈串中的其他 LED 會繼續運作。電流會繼續流經短路的 LED，加熱到能變成開路為止，而這會導致整條燈串變暗。

將 LED 分流

LED 燈具的設計挑戰在於要讓更小的燈具提供更高流明。也因此，LED 必須長時間在較高溫度下運作，這會導致 LED 故障。尤其，街燈燈具的工作壽命預計最長達 15 年。旁路分流器有助於調和需求化解衝突，不僅顧及較高的運作溫度，也達到更長的使用壽命。當某個 LED 在開路狀態下故障，不會整串燈變暗，分流器會繞過該 LED，讓燈串正常運作，只有該故障 LED 才會變暗 (圖 2)。

圖 2：若無旁路分流器，只要一個 LED 故障，整串燈都不會亮 (左)。若用旁路分流器，只有故障 LED 會變暗，燈串中其他 LED 會繼續運作 (右)。(圖片來源：onsemi)

可使用分流器繞過每一個或每兩個 LED，視燈具設計的需求而定 (圖 3)。在某個 LED 故障時繞過每一個 LED，對亮度的減損最少，繞過每兩個 LED 則能讓分流器的使用數量減半，提高解決方案的成本效益。例如，onsemi 的 NUD4700SNT1G 能用來繞過燈串中的個別 LED，並在 LED 恢復運作或更換後自動重設。STMicroelectronics 的 LBP01-0810B 能繞過 1 或 2 個 LED，可增加設計靈活度並減少零件數量。LBP01-0810B 也提供過壓保護，可避免突波破壞，符合 IEC 61000-4-2 和 IEC 61000-4-5 規定。

圖 3：可以使用 LED 分流器 (虛線方塊內) 繞過 1 (左) 或 2 (右) 個 LED。(圖片來源：onsemi)

智慧型街道照明

智慧型街道照明系統的設計人員，可改用 STMicroelectronics 的 STEVAL-LLL006V1 板來評估高功率 LED 照明選擇 (圖 4)。整合式 HVLED001A LED 照明控制器具有多種運作模式、感測與保護機制，並使用 STP21N90K5 MOSFET 產生高效率的智慧型電力轉換器。這款 LED 驅動器電路板使用 VIPER012LSTR 離線高電壓轉換器 IC，可提供 60 至 110 V 直流輸出，並有 0.7 A 恆定電流。為了滿足智慧型街道照明應用的需求，此驅動器的輸入範圍介於 90 至 300 V_AC，功率因數超過 0.97，THD 低於 15%。嵌入式 SPSGRFC sub-1 GHz 收發器模組可用於接收開啟、關閉與調光命令，並將命令傳送至 STM32L071KZ 整合式微控制器。此元件支援五種類比調光度。

圖 4：STEVAL-LLL006V1 LED 照明開發板是開發平台的一部份，其中含有電源管理與無線連線能力。(圖片來源：STMicroelectronics)

開發工具

為了加速開發並突顯 STEVAL-LLL006V1 評估板的功能，也有提供資料集中器 (DCU) 和 Android 行動應用程式。此 DCU 屬於整合式評估環境，建立在 NUCLEO-F401RE 平台中。含有 X-NUCLEO-IDS01A4 板，可用來跟 STEVAL-LLL006V1 進行 sub-1-GHz 通訊，並具有 X-NUCLEO-IDB05A2 板，能與行動裝置進行藍牙通訊。STMicroelectronics 也提供 6LoWPAN 智慧型街燈行動應用程式，可用來形成智慧型街道照明控制器網，並評估網路的功能性。

工業 LED 照明

可使用 onsemi 的 LIGHTING-1-GEVK 連網照明平台，開發連網式工業 LED 照明解決方案的原型。此開發平台具備無線控制功能，可選擇使用離線式 AC/DC 電源或選配的乙太網路供電 (PoE) 電源，並具備 LED 模組、LED 驅動器模組，以及聯繫全體的 BLE 連線模組。可用的控制選項包括使用 onsemi 的 RSL10 Sense and Control 行動應用程式或網路用戶端。此開發平台包含 Free RTOS、可自訂韌體的 CMSIS-Pack 及數個使用案例，可探索如何使用連網式工業 LED 照明解決方案。

基本的 LIGHTING-1-GEVK 套件含有雙 LED 驅動器、搭載兩條 LED 燈串的 LED 板、AC/DC 電源，以及 BLE 通訊模組 (圖 5)。PoE 電源模組需另外選購，最高可提供 90 W 功率。套件中各板件的一些重要規格包括：

• 雙 LED 驅動器：包含兩個 FL7760 LED 驅動器，各提供多達 25 W 電壓、效率多達 96%、4,000 段式調光低至 0.6%，並提供遙測資料，包括每個 LED 驅動器的電流與電壓測量，且有排針座可連接插入式 MCU 模組，以支援無線連線。
• LED 板：雙獨立通道，每個通道有 16 個 LED。其中一個通道的 LED 額定值為 121 lm，另一個通道為 95 lm，總可用亮度為 7,000 lm。
• AC/DC 電源：含有兩個 FL7740 一次側穩壓返馳式控制器，並具有 PFC，工作輸入電壓範圍介於 90 至 270 V_AC，可在 55 V 下產生 70 W 輸出，以驅動 LED 驅動器電路板，功率因數超過 0.99，效率高於 91%。
• BLE 模組：連網照明平台使用三種 BLE 服務：連網裝置使用「照明控制服務」遠端讀取和更改 LED 的狀態；連網裝置使用「遙測服務」監測 LED 驅動器內的電壓和電流；「PoE 電力傳輸服務」，可針對 PoE 供電器在裝置上所施加的 PoE 功率限制，提供相關資訊。

圖 5：基本開發套件包含雙 LED 驅動器、雙 LED 燈串、AC/DC 電源和 BLE 連線模組。(圖片來源：onsemi)

擴充板

LIGHTING-1-GEVK 套件提供兩個擴充板，分別是 BLE-SWITCH001-GEVB 能源採集 BLE 開關和 MULTI-SENSE-GEVB 多感測器擴充板 (圖 6)。LED 亮度能透過 BLE 開關加以控制。按住開關時，亮度會增加。放開開關或達到最大亮度時，光線強度會保持不變。再次按下開關就可降低亮度。這個多感測器擴充板有助於開發系統原型，並在其中置入環境光線感測器、環境感測器和／或慣性運動感測器。

圖 6：LIGHTING-1-GEVK 套件有兩個擴充板可用，分別是 BLE 開關和多感測器擴充板 (頂端綠色方塊)。(圖片來源：onsemi)

設計與部署選擇

LED 街燈與工業燈具帶來新的契機，得以重新思考照明網路的設計與部署。有別於 LED 常取代的其他技術，LED 具有調光性，因此有機會設計出集結多種要素的智慧城市與智慧型工業 4.0 設施，例如交通／使用模式、日期，甚至一整套感測器，以便在需要時達到最佳照明度。

在智慧城市中，無線網狀網路是很合理的選擇，但在工業 4.0 設施中，則可以利用無線或乙太網路連線進行控制。乙太網路的優點是能提供電力和通訊。無論何種情況，皆可將溫度、濕度甚至是攝影機感測器整合到燈具裡，增加燈具的功能。此外，還能監測燈具本身的運作狀況，例如內部溫度、LED 短路或開路，以及其他的因素，有助於排定預防性維護並降低運作成本。

結論

如本文所述，要設計可靠有效率的連網 LED 照明系統，燈具設計是第一步。需要特別挑選 LED 以提供最佳的流明度，而使用分流器能大幅提高燈具的可靠性和效能。在智慧城市與工業 4.0 設施中使用有線或無線的連網 LED 照明，能降低不斷增加的維護與運作成本，還能降低能耗。目前已經有完善的開發平台能加快智慧型連網 LED 照明解決方案的設計與部署。