照明方案介绍

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Light 方案综述和优势

乐鑫照明方案以其丰富性和成熟性而著称。我们的方案支持多种常见的灯相关外设，包括 LEDC、SPI、I2C、MCPWM 等，为您的照明需求提供了广泛的选择。结合乐鑫的成熟 Wi-Fi 和 BLE 等无线协议以及云适配技术，您可以轻松实现远程控制功能，随时随地管理您的照明系统。

不仅如此，乐鑫还实现了 AI 语音识别技术，使您可以通过语音控制灯光。我们的音频算法使音乐律动灯成为可能，而颜色识别和图像律动算法则为您提供了多种前沿创新方案。这些创新技术将为您的照明系统带来更多可能性，使其更加智能、丰富和具有吸引力。以下是乐鑫照明方案的优势：

• 零代码的照明方案： ESP ZeroCode 方案 无需担心固件、手机 APP、云连接、认证以及生产等复杂环节，直接构建包含照明设备在内的可兼容 Matter 的智能家居设备

• 丰富的软件参考： 提供全面的灯相关的软件开发资料，包括详尽的指导文档和示例

Light 常见应用场景

乐鑫照明方案广泛应用于各个领域，不同的领域使用的灯的类别也有区别，总结如下：

	ESP32	ESP32-S3	ESP32-C2	ESP32-C3	ESP32-C6
通用照明
球泡灯/台灯	LEDC/I2C	LEDC/I2C	LEDC/I2C	LEDC/I2C	LEDC/I2C
可调色温灯带	SPI	SPI/RMT	SPI	SPI/RMT	SPI/RMT
射灯/筒灯/烛灯/吸顶灯	LEDC	LEDC	LEDC	LEDC	LEDC
氛围照明
炫彩灯带/灯串	SPI	SPI/RMT	SPI	SPI/RMT	SPI/RMT
铜线灯	SPI	SPI	SPI	SPI	SPI
香薰灯/拼接灯	SPI	SPI/RMT	SPI	SPI	SPI/RMT
其他配件
可控硅调光器	MCPWM	MCPWM	x	x	MCPWM/ETM+模拟比较器
其他功能
音乐律动	√	√	√	√	√
ESP-NOW 本地控制	√	√	√	√	√
CSI 人体检测功能	√	√	√	√	√
红外遥控	x	√	x	√	√

Light 参考资料

此外，目前我们已经有一些公开的灯 github 软件库、视频、模组资料，如下：

• 软件参考

  • ESP-IDF LEDC 示例

  • ESP-IDF RMT LED STRIP 示例

  • 律动流水灯例程

• 模组/开发板资料及选项参考

  • 乐鑫产品选型工具

Light 调光方案汇总

PWM 调光方案

PWM 调光是一种通过调节脉冲宽度来控制 LED 亮度的技术，核心在于通过改变电流脉冲的占空比（即高电平时间在整个周期时间中的比例）来调节。当占空比较高时，LED 获得的电流时间长，亮度高；反之，占空比低时，LED 获得的电流时间短，亮度低。所有 ESP 芯片均支持使用硬件 LEDC 驱动 / MCPWM 驱动输出 PWM，推荐优先使用 LEDC 驱动实现，LEDC 驱动支持硬件渐变，频率占空比均可配置，分辨率最高为 20 bit。

备注

1. 是否支持输出互补的波形来调节色温与亮度？

   • 支持，可以使用 LEDC 的 hpoint 功能进行移相。

I2C 调光方案

I2C 调光 通过 I2C 总线发送控制命令到调光芯片，通过改变调光芯片的输出电流，调节 LED 的亮度。I2C 总线由两条线构成：数据线 (SDA) 和时钟线 (SCL)。所有 ESP 芯片均支持使用硬件 I2C 调光芯片，目前在 SM2135EH，SM2235EGH，SM2335EGH，BP5758，BP5758D，BP5768，BP1658CJ，KP18058 等常见调光芯片上在完成验证，均可完美驱动。

备注

1. I2C 驱动上拉电阻选择多少？

   • 通常选择在 2.2 k-4.7 k 之间，可实际测量信号质量来确定。

单线调光方案

单线调光方案是一种通过单根通信线控制 LED 亮度的方法，核心是通过特定的通信协议发送控制信号来调节 LED 的亮度。目前有 2 种类别：

• WS2812 和 SK6812 这类使用单独数据总线，通过特定的时序控制来传输颜色数据。

• 类似电力载波的方式，复用 VCC 并在其上调制通信数据，对于灯珠来说只需 2 根线即可。

此类方案在 ESP 芯片上可使用 RMT 外设或 SPI 外设 实现，推荐优先使用 SPI 实现灯珠通信控制，RMT 多用于接受红外遥控数据。

备注

1. SPI 实现原理是什么？

   • 以 WS2812 为例，其有 RGB 三个通道数据，每个通道是 1 字节，默认配置 SPI 时钟为 2.4 MHz，单 bit 发送，那么发送一个 bit 就是一个时钟约 400 ns，通常使用 3 bit 来表示 0 码和 1 码，即 0 码用 2 bit 高 + 1 bit 低构成，1 码用 1 bit 高 + 2 bit 低，这样 1 字节原始数据的每个 bit 都需要被拓展为 3 个 bit 来表示 0 与 1，这样 1 字节原始数据要拓展为 3 字节 SPI 数据。如果我们发送橙色，那转化后为：

   255 (0b11111111)        ->      11011011 01101101 10110110      ->      0xDB 0x6D 0xB6
   127 (0b01111111)        ->      10011011 01101101 10110110      ->      0x9B 0x6D 0xB6
   0   (0b00000000)        ->      10010010 01001001 00100100      ->      0x92 0x49 0x24
   

   SPI 实际发送的数据为 {0xDB 0x6D 0xB6}，{0x9B 0x6D 0xB6}，{0x92 0x49 0x24 }，不同灯带 RGB 数据顺序可能不同，需要按实际进行调整。

2. SPI 是否支持接多条灯带？

   • 支持，更改 SPI 传输模式为 4 bit 就可支持 4 条灯带，需要注意的是原始数据转为 SPI 数据时也需要更改，此时 1 个时钟将发送 4 bit 的数据。

3. 能够提供 SPI 驱动灯带驱动设计思路？

   • 如果 SPI 时钟 是 2.4 MHz，每个时钟是 0.4167 us，8 bit 模式发送的话，1 个时钟发送 1 个字节，10 KB 也就 10000 个时钟，4160 us 发送完。使用 SPI 的 STC 模式，1 个 spi_multi_transaction_t 里面组 10 个 1 KB 的刷灯数据。SPI 队列长度设置为 1 ，malloc 2 个 10 KB 的 buf，每次组好数据就用 spi_device_queue_multi_trans 发送，然后另一个 buf 填充数据，填充完成后，用 spi_device_get_multi_trans_result 灯带拿上一个结果，返回后成功再次组数据，2 个 buf 循环填充数据。

可控硅调光方案

可控硅调光是一种通过调整电流的相位来控制灯具亮度的调光技术，广泛应用于白炽灯、卤素灯和一些兼容可控硅调光的 LED 灯具。核心是通过调整可控硅（Triac）导通的相位角，改变电流在每个交流周期内的导通时间，来达到调节灯具的功率输出和亮度。可控硅调光主要有两种相位切割方式：

• 前沿切割：在交流电波形的前半部分进行切割，Triac 在每个交流周期的前沿开始导通。适用于白炽灯和一些兼容的 LED 灯具。

• 后沿切割：在交流电波形的后半部分进行切割，Triac 在每个交流周期的后沿开始导通。适用于一些兼容的 LED 灯具和电子变压器。

软件设计遵循下面 3 步：

1. 相位检测：检测交流电的过零点，以确定调光信号的时序。可以通过光耦和检测电路实现过零检测。

2. 相位控制：根据用户设定的亮度，计算相应的导通延迟时间，并控制 Triac 在适当的时间导通。

3. 触发控制：在检测到过零点后，根据设定的延迟时间，触发 Triac 导通，一般使用一个 50 us 的脉冲触发导通。

在 ESP 芯片中通常使用 MCPWM 外设 或 ETM + 模拟比较器 外设实现上述功能，推荐使用 MCPWM 外设实现，实现原理为：在同一个定时器上启用 2 个比较器 A B，并操作同一 IO，比较器 A 与 B 在定时器计数器为 0 时输出低电平，设置一个比较值 x，x 即为延迟的导通时间，同时设置比较器 A 在定时器为 x 时输出高电平，比较器 B 在定时器为 x + 50 时输出低电平，使用 MCPWM 的同步功能捕获过零点，同步时将自动重置定时器，这样就完成了一次切相控制，过零点捕获的精度可控制在小于 1 us。

备注

1. ESP32C2 等不存在 MCPWM 外设的芯片上能否实现？

   • 可以用 gptimer + IO 模拟的方案实现，所有控制函数都需放入 ram 中，不过由于芯片及软件设计的因素，过零点捕获的精度依旧会被系统中断影响，特别启用 Wi-Fi 与 蓝牙后，通常在 4.7 us ~ 20 us 浮动，十分不稳定，这将导致调光器兼容性较差，在某些兼容调光器的 LED 灯具会出现间歇性闪烁。如评估后可接受，可使用上述方案。

Light 附加功能组件

音乐律动

音乐律动是一种照明控制技术，通过实时分析音乐信号，使灯光与音乐节奏、旋律和音效同步变化。ESP32 平台所有芯片均支持本地的音乐律动，通过 ADC 获取音频数据，再经过 FFT 或响度计算后得到流水，跳跃，渐变等灯效数据，通过驱动刷新到灯泡，进行显示。

• 示例代码

• 演示视频

ESP-NOW 本地控制功能

ESP-NOW 是一种由乐鑫定义的无连接 Wi-Fi 通信协议。在 ESP-NOW 中，应用程序数据被封装在各个供应商的动作帧中，然后在无连接的情况下，从一个 Wi-Fi 设备传输到另一个 Wi-Fi 设备。在智能照明领域该技术常被作为灯具的随意贴开关。

• 示例代码

• 演示视频

CSI 人体检测功能

信道状态信息（CSI）是描述无线信道特性的重要参数，包括信号幅度、相位、信号时延等指标。在 Wi-Fi 通信中，CSI 用于衡量无线网络信道的状态。CSI 对环境变化非常敏感，不仅可以感知人或动物的行走、奔跑等大幅度动作，还可以感知静态环境中的呼吸、咀嚼等细微动作，在智能球泡灯的领域下，可以将 CSI 作为人体感知传感器，实现人来灯开，人走灯灭。

• 示例代码

• 演示视频

红外遥控

红外遥控是一种利用红外光信号传输控制指令的技术，广泛应用于电视、空调、音响、灯具等家用电器的遥控操作。红外遥控系统通常由红外发射器（遥控器）和红外接收器（被控设备）组成，红外发射器上调制红外光信号，将控制指令以脉冲编码的形式发送出去。红外接收器接收到信号后，解调并解码出控制指令，进而执行相应的操作。在照明领域该技术被作为灯带、筒灯、射灯、氛围灯的等本地红外遥控器使用。

• 示例代码

Light 球泡灯驱动组件

球泡灯组件将球泡灯中常用的多款调光方案做了封装，并增加了动效，校准，状态记忆，功率限制等众多常见功能，便于开发者集成到自己的应用程序中，目前所有 ESP32 系列芯片都已经完成支持。

已支持的调光方案如下

• PWM 方案

  • RGB + C/W

  • RGB + CCT/Brightnes

• I2C 调光芯片方案

  • SM2135EH

  • SM2X35EGH (SM2235EGH/SM2335EGH)

  • BP57x8D (BP5758/BP5758D/BP5768)

  • BP1658CJ

  • KP18058

• 单总线

  • WS2812

已支持的灯板布局如下

• 单路：冷或暖色温灯珠，可以完成单色温下的亮度控制。

• 双路：冷暖灯珠，可以完成色温与亮度的控制。

• 三路：红色、绿色、蓝色灯珠，可以完成任意颜色控制。

• 四路：红色、绿色、蓝色、冷色或暖色灯珠，可以完成颜色与单一色温下的亮度控制，如果配置了混色表格：则支持使用这些灯珠混出不同色温，实现色温控制。

• 五路：红色、绿色、蓝色、冷色、暖色灯珠，可以完成颜色与色温下的亮度控制。

渐变原理

球泡灯组件中的渐变是用软件实现的，每个通道记录了当前值，最终值，步长，步数，循环次数，最小值，后两个参数用于动效。当使用 API 设置颜色时，会依次更改最终值，步长，步数，并启用渐变时定时器，定时器每间隔 12 ms 触发一次回调，回调函数中会检查每个通道的步数，只要存在未执行完的步数，就会根据步长加减当前值，并更新到底层驱动中。当所有通道步数为 0 时，便代表渐变完成，此时将停止定时器。

低功耗实现

球泡灯如果要通过 T20 等功耗认证，优化灯板电源后，软件上需要做一些低功耗配置，除了应用低功耗模式使用指南中提到的配置外，驱动部分也需要进行一些逻辑，球泡灯组件中已经在 PWM 方案与 I2C 2种调光驱动方案增加了相关内容，具体逻辑为开关灯时，I2C 方案调用调光芯片自身的低功耗指令，退出或进入低功耗，PWM 方案中，ESP32 由于使用 APB 时钟源，需要通过电源锁管理，否则会出现灯光闪烁，开灯时拿电源锁，禁用动态调频，关灯时释放，其他芯片采用 XTAL 时钟源，无需采取任何措施。

异常重启后保持颜色

球泡灯驱动组件中实现如下：PWM 方案使用 XTAL 时钟源即可，软件重启不影响 LEDC 驱动输出；I2C 方案需要做软件逻辑，每次操作灯成功后需要记录颜色到 flash 中，异常重启后直接使用 flash 中保存的颜色点灯。

上电亮灯速度

使用球泡灯驱动组件点灯，从灯板供电到灯亮通常在 150 ~ 300 ms 之间，主要耗时在 ROM 与 bootloader 阶段的 log 打印与芯片安全相关( Flash 加密，安全启动等)的各种校验。如果未开启加密同时关掉所有启动阶段的 log，亮灯时间将小于 100 ms。