基于Wi-Fi照明智能化球泡燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳挺

（長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

傳統(tǒng)的照明控制方式是通過實(shí)體按鍵開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，這種方式雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但靈活性不足。LED燈作為一種照明燈具，因其節(jié)能性而受到人們的歡迎[1]。隨著人們生活水平的提高對(duì)照明設(shè)備也有了新的要求，不僅希望能實(shí)現(xiàn)亮度無極調(diào)控、色彩自由變換，而且還能避免與強(qiáng)電近距離接觸，通過手機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)控制電路，既方便又安全[2]。全球許多研究人員正致力于通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息通信技術(shù)相結(jié)合，從而創(chuàng)造出更綠色便捷的服務(wù)模式[3]，照明智能化設(shè)計(jì)既可以滿足人們的生活需求，又可以提升生活質(zhì)量，改善生活品質(zhì)[4]。因此，設(shè)計(jì)出一款通過手機(jī)直接控制的智能燈意義非凡，將有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 球泡燈設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 燈泡設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)了一款適用于家居生活的基于Wi-Fi控制的LED智能燈泡，應(yīng)用于客廳、臥室、廚房、吧臺(tái)、樓道、陽臺(tái)等日常家居生活場(chǎng)景中。該智能燈泡可以使使用者更好更便捷地控制燈泡，具有一定的實(shí)用性和可行性。用戶能通過TYLC5 Wi-Fi模塊所配套的APP控制燈泡的亮滅及色溫的變化等。此球泡燈設(shè)計(jì)以集成芯片和Wi-Fi模塊為控制核心，以中國市電220 V（電壓）、50 Hz（頻率）的交流電為輸入電，通過Wi-Fi模塊上的引腳及天線，接收所連接設(shè)備發(fā)送的信號(hào)，得到可通過Wi-Fi遠(yuǎn)程控制的燈泡[5-6]。

此次設(shè)計(jì)選擇大眾化的A60塑包鋁散熱器和透光率為0.9以上的乳白色塑料泡殼，燈頭選擇最為常見的E27燈頭，可以與E26、E27燈座的接口相匹配[7-8]。電源板在腔內(nèi)不要相互觸碰，因此也可以做小一些，降低成本的同時(shí)也易于安裝。考慮到A60塑包鋁的散熱器，最大輸入選擇標(biāo)稱為9 W，中國標(biāo)準(zhǔn)要求功率上限是標(biāo)稱值的1.1倍，下限是標(biāo)稱值的0.8倍。光通量標(biāo)稱為800 lm，中國標(biāo)準(zhǔn)要求光通量的上限是標(biāo)稱值的1.1倍，下限是標(biāo)稱值的0.9倍[9]。

1.2 光電源的制作

電源板的公端腳位要與光源上腳位相匹配且整體在腔內(nèi)居中[7]，所以要求板厚為1.6 mm，板子層數(shù)為1層，銅厚為35 nm（1盎司），阻焊顏色為綠色，字符顏色為白色，過孔蓋油。阻焊顏色常用綠色，因?yàn)榇斯に嚦墒烨揖G色會(huì)防止眼疲勞，利于生產(chǎn)安裝[10]。電源PCB板如圖1所示。電源板貼片面實(shí)物如圖2所示。電源板插件面實(shí)物如圖3所示。

圖1 電源PCB板

圖2 電源板貼片面實(shí)物圖

圖3 電源板插件面實(shí)物圖

1.3 光源板的制作

銅箔與鋁基板邊緣的距離應(yīng)該在1 mm以上，燈珠與板邊的距離應(yīng)該在2 mm以上，以防燈珠在整燈裝配時(shí)被模具壓壞。ⅠC和白暖光燈珠下的銅箔應(yīng)該多一些，要求板材為鋁基板，板子層數(shù)為單層，板厚為1.6 mm，銅厚為25 μm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3，板邊公差為0.1 mm，成品耐壓為500 V。鋁基板銅厚常選35 nm（1盎司）和25 nm，導(dǎo)熱系數(shù)常選0.3和1.0。成品耐壓是指成品可以輸入最大的瞬間電壓，常在雷擊浪涌測(cè)試中測(cè)試。光源PCB板如圖4所示。光源板實(shí)物如圖5所示。

圖4 光源PCB板

圖5 光源板實(shí)物圖

1.4 整燈的安裝

在光電源PCB板上進(jìn)行貼片和插件，制作出光源板和電源板。將光、電源板的公端和母端相連接，并將天線外露到光源板與泡殼之間，并加上2.5 g導(dǎo)熱泥加強(qiáng)Wi-Fi模塊的散熱[11]。將光、電源板用模具壓入散熱器卡口內(nèi)，并露出2個(gè)輸入線，一根輸入線卡在散熱器與燈頭之間，另一根輸入線卡在燈頭與燈頭釘之間，卡線時(shí)需拉緊輸入線，這樣可避免電源晃動(dòng)。在散熱器與泡殼連接處打上泡殼膠，然后蓋上泡殼壓緊，再用泡殼膠穩(wěn)固即可。至此，整燈安裝完成。整燈實(shí)物如圖6所示。

圖6 整燈實(shí)物圖

2 球泡燈測(cè)試分析

2.1 復(fù)光及Wi-Fi連接測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試是對(duì)球泡燈進(jìn)行復(fù)光，用變頻電源測(cè)試輸入功率是否符合設(shè)計(jì)要求，以及燈能否復(fù)位，手機(jī)能否正常通過相應(yīng)APP連接控制燈。將變頻電源調(diào)至輸入電壓為220 V、頻率為50 Hz的交流電，將燈泡裝上燈座連接到變頻電源引出的帶開關(guān)排插上。按下變頻電源輸出按鈕，開啟開關(guān)，燈泡正常點(diǎn)亮，觀察變頻電源上的數(shù)值。因?yàn)槟K控制的初始狀態(tài)為滿亮度的白光，此時(shí)的功率應(yīng)該在7.2～9.9 W之間，PF（Power Factor，功率因數(shù)）達(dá)到0.5。如果功率過低，可以將模塊控制的電源輸出電流加大，然后換上18 V（電壓）、1 W（功率）的燈珠來提升功率；如果功率過高，可以將模塊控制的電源輸出電流減小，然后減少燈珠數(shù)量。如果PF達(dá)不到，可以增加保險(xiǎn)電阻的阻值或降低電感的感量來提升PF[12-13]。

2.2 電氣參數(shù)及發(fā)光效率測(cè)試

抽取樣品1在不同頻率下進(jìn)行電氣參數(shù)及發(fā)光效率測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 電氣參數(shù)及發(fā)光效率測(cè)試

2.3 溫升測(cè)試

將溫升線粘貼電子器件及散熱器內(nèi)外壁的最高溫度點(diǎn)上，用溫升儀測(cè)量其溫度并記錄。判定標(biāo)準(zhǔn)為：各元器件的溫度值不超過規(guī)格要求值，電解、燈珠等損耗元件根據(jù)壽命推算數(shù)據(jù)進(jìn)行判定。判定結(jié)果證明該燈合格。溫升測(cè)試如表2所示。

表2 溫升測(cè)試

2.4 潮濕介電強(qiáng)度測(cè)試

根據(jù)CQC要求，室內(nèi)燈具應(yīng)該滿足60 s的3 750 V/10 mA的介電耐壓強(qiáng)度。在空氣濕度為93%、室溫為25℃條件下，進(jìn)行4 000 V的介電強(qiáng)度耐壓測(cè)試，該燈符合要求。

2.5 光色參數(shù)測(cè)試及發(fā)光角度測(cè)試

將燈放到積分球里面調(diào)到最高色溫最大亮度和最低色溫最大亮度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 光色參數(shù)測(cè)試及發(fā)光角度測(cè)試

2.6 光強(qiáng)發(fā)布曲線測(cè)試

將燈調(diào)到最高色溫最大亮度，然后放到光分布測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。光束角為195.3°，該燈合格。

圖7 光強(qiáng)分布曲線

2.7 啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試

啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)（單位：ms）

2.8 差異性測(cè)試

將3個(gè)以上的同款燈同時(shí)進(jìn)行開關(guān)、復(fù)位、連接、調(diào)光，觀察燈的差異，如無明顯異常，則正常。此項(xiàng)測(cè)試選了3個(gè)燈，無明顯差異。若出現(xiàn)差異，觀察是否有元件選錯(cuò)或者安裝錯(cuò)誤等問題。

2.9 頻閃測(cè)試

將燈點(diǎn)亮置于暗室，然后通過頻閃接收機(jī)接收燈光。一般要求閃爍百分比在20%以下即可。經(jīng)測(cè)試，該燈閃爍百分比為8%，符合要求。如果閃爍百分比較高，可以通過減少燈珠數(shù)量來解決[12]。

2.10 器件故障狀態(tài)測(cè)試

器件故障狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 器件故障狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

2.11 傳導(dǎo)干擾測(cè)試

測(cè)試曲線沒超過標(biāo)準(zhǔn)線，該燈合格，如圖8、圖9所示。

圖8 傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)：L（火線）

圖9 傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)數(shù)據(jù)：N（零線）

2.12 雷擊浪涌抗擾度測(cè)試

將燈點(diǎn)亮接到雷擊浪涌發(fā)送器上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 雷擊浪涌抗擾度測(cè)試數(shù)據(jù)

2.13 低溫啟動(dòng)測(cè)試

將燈放置于-20℃的低溫箱20 h以上，然后在低溫箱內(nèi)測(cè)試其功能，產(chǎn)品正常啟動(dòng)，無閃爍、異響等現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 低溫啟動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

開關(guān)啟動(dòng)與聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)對(duì)比如表8所示。

表8 開關(guān)啟動(dòng)與聯(lián)網(wǎng)啟動(dòng)對(duì)比

2.14 高溫老練測(cè)試

將燈點(diǎn)亮置于高溫箱進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表9所示。

表9 高溫老練測(cè)試數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

經(jīng)過系統(tǒng)的測(cè)試，本次所設(shè)計(jì)的球泡燈達(dá)到了預(yù)期的要求。通過實(shí)體驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)初衷，證明該燈可以接收通過已連接網(wǎng)絡(luò)的無線遙控信號(hào)實(shí)現(xiàn)模式的切換，可以進(jìn)行白光不同色溫、亮度和彩光不同飽和度、亮度之間的變換，并通過人性化設(shè)計(jì)，有閱讀模式、強(qiáng)光模式等場(chǎng)景設(shè)置功能。本次設(shè)計(jì)的不足之處是整燈設(shè)計(jì)中自主設(shè)計(jì)的嵌入式Wi-Fi模塊成本占了較大比例，導(dǎo)致成品的價(jià)格偏高，后期考慮降低該設(shè)計(jì)的嵌入式模塊費(fèi)用，提升價(jià)格成本空間。