基于Wi-Fi照明智能化球泡灯的设计与实现

吴挺

（长江大学计算机科学学院，湖北 荆州 434023）

传统的照明控制方式是通过实体按键开关来实现的，这种方式虽然结构简单，但灵活性不足。LED灯作为一种照明灯具，因其节能性而受到人们的欢迎[1]。随着人们生活水平的提高对照明设备也有了新的要求，不仅希望能实现亮度无极调控、色彩自由变换，而且还能避免与强电近距离接触，通过手机和无线网络控制电路，既方便又安全[2]。全球许多研究人员正致力于通过将物联网技术与信息通信技术相结合，从而创造出更绿色便捷的服务模式[3]，照明智能化设计既可以满足人们的生活需求，又可以提升生活质量，改善生活品质[4]。因此，设计出一款通过手机直接控制的智能灯意义非凡，将有很大的发展潜力。

1 球泡灯设计实现

1.1 灯泡设计内容及设计要求

设计了一款适用于家居生活的基于Wi-Fi控制的LED智能灯泡，应用于客厅、卧室、厨房、吧台、楼道、阳台等日常家居生活场景中。该智能灯泡可以使使用者更好更便捷地控制灯泡，具有一定的实用性和可行性。用户能通过TYLC5 Wi-Fi模块所配套的APP控制灯泡的亮灭及色温的变化等。此球泡灯设计以集成芯片和Wi-Fi模块为控制核心，以中国市电220 V（电压）、50 Hz（频率）的交流电为输入电，通过Wi-Fi模块上的引脚及天线，接收所连接设备发送的信号，得到可通过Wi-Fi远程控制的灯泡[5-6]。

此次设计选择大众化的A60塑包铝散热器和透光率为0.9以上的乳白色塑料泡壳，灯头选择最为常见的E27灯头，可以与E26、E27灯座的接口相匹配[7-8]。电源板在腔内不要相互触碰，因此也可以做小一些，降低成本的同时也易于安装。考虑到A60塑包铝的散热器，最大输入选择标称为9 W，中国标准要求功率上限是标称值的1.1倍，下限是标称值的0.8倍。光通量标称为800 lm，中国标准要求光通量的上限是标称值的1.1倍，下限是标称值的0.9倍[9]。

1.2 光电源的制作

电源板的公端脚位要与光源上脚位相匹配且整体在腔内居中[7]，所以要求板厚为1.6 mm，板子层数为1层，铜厚为35 nm（1盎司），阻焊颜色为绿色，字符颜色为白色，过孔盖油。阻焊颜色常用绿色，因为此工艺成熟且绿色会防止眼疲劳，利于生产安装[10]。电源PCB板如图1所示。电源板贴片面实物如图2所示。电源板插件面实物如图3所示。

图1 电源PCB板

图2 电源板贴片面实物图

图3 电源板插件面实物图

1.3 光源板的制作

铜箔与铝基板边缘的距离应该在1 mm以上，灯珠与板边的距离应该在2 mm以上，以防灯珠在整灯装配时被模具压坏。ⅠC和白暖光灯珠下的铜箔应该多一些，要求板材为铝基板，板子层数为单层，板厚为1.6 mm，铜厚为25 μm，导热系数为0.3，板边公差为0.1 mm，成品耐压为500 V。铝基板铜厚常选35 nm（1盎司）和25 nm，导热系数常选0.3和1.0。成品耐压是指成品可以输入最大的瞬间电压，常在雷击浪涌测试中测试。光源PCB板如图4所示。光源板实物如图5所示。

图4 光源PCB板

图5 光源板实物图

1.4 整灯的安装

在光电源PCB板上进行贴片和插件，制作出光源板和电源板。将光、电源板的公端和母端相连接，并将天线外露到光源板与泡壳之间，并加上2.5 g导热泥加强Wi-Fi模块的散热[11]。将光、电源板用模具压入散热器卡口内，并露出2个输入线，一根输入线卡在散热器与灯头之间，另一根输入线卡在灯头与灯头钉之间，卡线时需拉紧输入线，这样可避免电源晃动。在散热器与泡壳连接处打上泡壳胶，然后盖上泡壳压紧，再用泡壳胶稳固即可。至此，整灯安装完成。整灯实物如图6所示。

图6 整灯实物图

2 球泡灯测试分析

2.1 复光及Wi-Fi连接测试

此项测试是对球泡灯进行复光，用变频电源测试输入功率是否符合设计要求，以及灯能否复位，手机能否正常通过相应APP连接控制灯。将变频电源调至输入电压为220 V、频率为50 Hz的交流电，将灯泡装上灯座连接到变频电源引出的带开关排插上。按下变频电源输出按钮，开启开关，灯泡正常点亮，观察变频电源上的数值。因为模块控制的初始状态为满亮度的白光，此时的功率应该在7.2～9.9 W之间，PF（Power Factor，功率因数）达到0.5。如果功率过低，可以将模块控制的电源输出电流加大，然后换上18 V（电压）、1 W（功率）的灯珠来提升功率；如果功率过高，可以将模块控制的电源输出电流减小，然后减少灯珠数量。如果PF达不到，可以增加保险电阻的阻值或降低电感的感量来提升PF[12-13]。

2.2 电气参数及发光效率测试

抽取样品1在不同频率下进行电气参数及发光效率测试，结果如表1所示。

表1 电气参数及发光效率测试

2.3 温升测试

将温升线粘贴电子器件及散热器内外壁的最高温度点上，用温升仪测量其温度并记录。判定标准为：各元器件的温度值不超过规格要求值，电解、灯珠等损耗元件根据寿命推算数据进行判定。判定结果证明该灯合格。温升测试如表2所示。

表2 温升测试

2.4 潮湿介电强度测试

根据CQC要求，室内灯具应该满足60 s的3 750 V/10 mA的介电耐压强度。在空气湿度为93%、室温为25℃条件下，进行4 000 V的介电强度耐压测试，该灯符合要求。

2.5 光色参数测试及发光角度测试

将灯放到积分球里面调到最高色温最大亮度和最低色温最大亮度进行测试，测试结果如表3所示。

表3 光色参数测试及发光角度测试

2.6 光强发布曲线测试

将灯调到最高色温最大亮度，然后放到光分布测试仪进行测试，测试结果如图7所示。光束角为195.3°，该灯合格。

图7 光强分布曲线

2.7 启动时间测试

启动时间测试数据如表4所示。

表4 启动时间测试数据（单位：ms）

2.8 差异性测试

将3个以上的同款灯同时进行开关、复位、连接、调光，观察灯的差异，如无明显异常，则正常。此项测试选了3个灯，无明显差异。若出现差异，观察是否有元件选错或者安装错误等问题。

2.9 频闪测试

将灯点亮置于暗室，然后通过频闪接收机接收灯光。一般要求闪烁百分比在20%以下即可。经测试，该灯闪烁百分比为8%，符合要求。如果闪烁百分比较高，可以通过减少灯珠数量来解决[12]。

2.10 器件故障状态测试

器件故障状态测试数据如表5所示。

表5 器件故障状态测试数据

2.11 传导干扰测试

测试曲线没超过标准线，该灯合格，如图8、图9所示。

图8 传导干扰试验数据：L（火线）

图9 传导干扰试验数据：N（零线）

2.12 雷击浪涌抗扰度测试

将灯点亮接到雷击浪涌发送器上进行测试，测试结果如表6所示。

表6 雷击浪涌抗扰度测试数据

2.13 低温启动测试

将灯放置于-20℃的低温箱20 h以上，然后在低温箱内测试其功能，产品正常启动，无闪烁、异响等现象，测试结果如表7所示。

表7 低温启动数据测试结果

开关启动与联网启动对比如表8所示。

表8 开关启动与联网启动对比

2.14 高温老练测试

将灯点亮置于高温箱进行测试，结果如表9所示。

表9 高温老练测试数据

3 总结

经过系统的测试，本次所设计的球泡灯达到了预期的要求。通过实体验证符合设计初衷，证明该灯可以接收通过已连接网络的无线遥控信号实现模式的切换，可以进行白光不同色温、亮度和彩光不同饱和度、亮度之间的变换，并通过人性化设计，有阅读模式、强光模式等场景设置功能。本次设计的不足之处是整灯设计中自主设计的嵌入式Wi-Fi模块成本占了较大比例，导致成品的价格偏高，后期考虑降低该设计的嵌入式模块费用，提升价格成本空间。