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使用Zigbee光链路快速、轻松实现灵活的智慧照明
 

【作者: Rich Miron】2018年11月06日 星期二

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智慧照明集高能效LED、可定制功能和低功耗无线技术优势於一体,是一项正在快速增长的应用。但由於它的快速扩张,开发人员持续面临压力,在最大限度降低单位连接成本的同时,还要不断缩短开发周期。当涉及成千上万的灯连接时,就必须要有成熟、可靠的低功耗无线连接。


合适的无线技术有多种,但Zigbee具有多个有吸引力的特性,包括:


· 成熟的网状网路基础


专为智慧照明而优化的Zigbee光链路(Zigbee Light Link;ZLL)应用规范


· 设计工具支援使得该技术的实现相对简单


· 广泛的半导体供应商和照明制造商支持


本文将简要介绍Zigbee无线技术及其在照明应用中的使用。之後,本文将介绍多种开发工具和叁考设计,让非专家级射频工程师不仅能够更轻松地建立无线照明网路,还能最大限度发挥LED照明的潜力。


LED+射频=智能灯

LED相比传统照明具有多种优势。其中最重要的优势包括体积小巧、能效高和使用寿命长。LED还能实现灵活的照明。例如,固态照明可通过调光实现精确的光输出并支援暂态开关,如果光是由白光LED辅以红、绿和蓝器件产生,还可进行广泛的色调、饱和度和色温调节。


通过在采用无线控制的固态照明中增加射频连接,设计人员可以实现灵活的智慧照明应用。用户可利用无线连接来远端操作灯具,对照明进行细微的更改,例如使用智慧手机、遥控器或语音命令改变房间内不同区域的光强度。


许多无线技术还支援网状网路,这不仅能扩大无线链路的有效范围,还能实现多种功能,例如控制住宅或商业楼宇内的特定灯或小型灯组。双向无线链路还使照明灯具能够支持接近感应和电能计量等其他功能。


Zigbee的优势

有多种低功耗射频技术可以满足智慧照明应用的要求,例如低功耗蓝牙、Thread、Z-Wave和低功耗Wi-Fi。其中的关键要求包括:在工业、科研和医疗 (ISM)频谱分配内的免许可操作、低功耗、干扰避免和缓解机制、足够的频宽、互通性、多供应商支持和广泛采用。


Zigbee符合上述要求,同时还增加了自己的若干功能,包括一项专门针对照明应用的功能。值得注意的是,该技术从一开始便专为家居和工业自动化应用而设计,这使得它的网状网路功能尤其易於设置和扩展。其次,该技术基於IEEE 802.15.4定义的实体层(PHY)和介质存取控制(MAC)层,有??与其他同样基於 PHY和MAC层的家居自动化协议(例如Thread)实现交互操作(图 1)。第三,Zigbee已被 OSRAM 和Philips等多家大型照明制造商采用。



图1 : Zigbee堆叠基於IEEE 802.15.4 PHY和MAC层,有??与其他基於相同层的射频协议实现交互操作。(source:Zigbee联盟)
图1 : Zigbee堆叠基於IEEE 802.15.4 PHY和MAC层,有??与其他基於相同层的射频协议实现交互操作。(source:Zigbee联盟)

Zigbee光链路

Zigbee於2013年引入ZLL,增强了其在照明应用中的适合性。ZLL是一个 Zigbee规范,位於IEEE 802.15.4 PHY/MAC/Zigbee PRO堆叠的应用层(图2)。



图2 : Zigbee 光链路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆叠应用层内的一个 Zigbee 规范。(source:NXP Semiconductors)
图2 : Zigbee 光链路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆叠应用层内的一个 Zigbee 规范。(source:NXP Semiconductors)

ZLL采用的设计对用户极其友好,而且直接面向消费市场以及专业安装。该技术的主要优势包括相对直观的调试和配置介面,以及不同制造商产品之间的互通性框架。


ZLL系统由多个节点构成,例如开关、感测器、遥控器,以及发送控制命令的智慧手机。该系统还包含不同节点,例如接收和执行这些命令的单色灯和彩色灯。


ZLL规范使用特定的群集,即定义设备可通过Zigbee群集库(ZCL)执行哪些操作的命令和属性组,此外还定义了一个自己的群集(“ZLL调试”)(表1)。











































类别

群集

群集 ID

 


ZCL

基础

0x0000

识别

0x0003

0x0004

场景

0x0005

开/关

0x0006

电平控制

0x0008

颜色控制

0x0300

ZLL

ZLL调试

0x1000



表1:ZLL利用来自ZCL的群集,并定义了自己的调试群集。(source:NXP Semiconductors)

利用ZLL调试可以从头创建ZLL网路,或向现有的ZLL网路添加新节点。可协助进行调试的节点被称为「启动器」,它可能是遥控器或灯具等设备。从控制节点可以配置和调整一盏或多盏灯。


群集软体设备可供ZLL照明设备使用,包含在接收和执行命令的ZLL物理节点内(表2)。




































ZLL 设备

设备 ID

开/关灯

0x0000

开/关外挂程式单元

0x0010

可调光灯

0x0100

可调光外挂程式单元

0x0110

彩色灯

0x0200

扩展的彩色灯

0x0210

色温灯

0x0220



表2:群集软体设备可供ZLL用於增加Zigbee照明网路的功能。(source:NXP Semiconductors)

ZLL软体设备的功能如下所述:


· 「开/关灯」设备通常在包含只能开启和关闭的灯的节点中使用。


· 「开/关外挂程式单元」设备通常在包含可控市电??头或适配器(此??头或适配器还包括一个开关)的节点中使用。


· 「可调光灯」设备通常在包含可调节亮度的灯的节点中使用。


· 「可调光外挂程式单元」设备通常在包含可控市电??头或适配器(此??头或适配器还包含可调节的灯输出)的节点中使用。


· 「彩色灯」设备通常在包含可调节颜色和亮度的彩色灯的节点中使用。此设备支援众多颜色叁数,包括色调和饱和度等。


· 「扩展的彩色灯」设备通常在包含可调节颜色和亮度的彩色灯的节点中使用。此设备除了「彩色灯」设备所支援的颜色叁数之外,还支援色温。


· 「色温灯」设备通常在包含可调节颜色(和亮度)并使用色温操作的彩色灯的节点中使用。


工程师可通过使用这些软体群集设备,构建能够提供开关和调光之外其他功能的ZLL系统。例如通过使用规范,开发人员可以构建支援色调和色温调节,以及上述分组功能的系统。此外,他们还可以在系统中增加接近感测器,设置灯在特定时间工作,以及在用户远离建筑物时通过符合IP规范的闸道实现远端控制。


ZLL入门

得益於Zigbee晶片供应商提供的开发工具,使用ZLL的开发工作变得轻松多了。例如,Silicon Labs 提供了 RD-0085-0401 连接照明套件。该套件基於该公司的 EFR32MG1P732F256GM32 无线微控制器,并附带预程式设计的Zigbee Z3ColorControlLight样例应用程式。该套件由照明叁考设计模组和演示板构成(图3)。



图3 : Silicon Labs的连网照明套件由照明叁考设计模组和演示板构成(电路图见图片底部)。(source:Silicon Labs)
图3 : Silicon Labs的连网照明套件由照明叁考设计模组和演示板构成(电路图见图片底部)。(source:Silicon Labs)

Zigbee应用原始程式码位於该公司的EmberZNet PRO堆叠内,但开发人员必须先购买并注册Silicon Labs SLWSTK6000B 无线入门套件。


Zigbee照明本身不能与IP设备或智慧手机交互操作,因此往往需要使用闸道来桥接至基於IP的乙太网或基於Wi-Fi的无线局域网(WLAN),以及从闸道桥接至云。


例如,在市场的消费产品端,照明制造商OSRAM推荐消费者使用其「Pro闸道」来连结其LIGHTIFY(Zigbee)照明元件,以便通过PC或移动设备进行调试和配置,该闸道还支持用户在离家後通过智慧手机进行远端控制。(图 4)。



图4 : Zigbee照明系统需要在Zigbee和IP网路(例如有线或无线LAN和互联网)之间使用闸道进行桥接,才能浏览云。(source:OSRAM)
图4 : Zigbee照明系统需要在Zigbee和IP网路(例如有线或无线LAN和互联网)之间使用闸道进行桥接,才能浏览云。(source:OSRAM)

使用连网照明套件和无线入门套件进行开发时,建议在开发网路中增加Silicon Labs的 RD-0002-0201 Zigbee USB虚拟闸道。该虚拟闸道包含一个Web伺服器,提供浏览桌面或移动Web浏览器的使用者介面,以便开发人员能够通过智慧手机等移动设备全面测试系统的远端控制。


所有Zigbee网路都必须包含一个扮演协调器角色,并允许对网路中的新设备进行调试的设备。出於开发目的,最好将闸道用作协调器。闸道的一项额外优势是,它能用於借助.ota(over-the-air,空中传输)档对连接照明套件进行重新程式设计。


此外,最好在开发网路中包含其他 Zigbee 设备,例如开关和更多的灯,以便测试和验证它们在照明叁考设计中的互通性(图 5)。



图5 : Silicon Labs的智慧照明开发设置允许开发人员快速着手开发Zigbee照明系统设计专案。(source:Silicon Labs)
图5 : Silicon Labs的智慧照明开发设置允许开发人员快速着手开发Zigbee照明系统设计专案。(source:Silicon Labs)

将Silicon Labs的Simplicity Studio IoT开发软体与基於Eclipse 4.5的整合式开发环境(IDE,例如 IAR Embedded Workbench)搭配使用,可以轻松为一个简易系统构建应用软体。


如要构建应用软体,开发人员需遵从以下流程:


1. 安装EmberZNet PRO堆叠


2. 在Simplicity Studio AppBuilder中创建新的应用框架配置,并选择片上系统(SoC)堆叠版本


3. 使用连网照明套件附带的Z3ColorControlLight样例应用创建专案


4. 在AppBuilder的「hal configuration(hal配置)」选项卡下,确认无线微控制器的架构和标头档


5. 将专案档案保存到目录中


6. 使用Embedded Workbench或相容的IDE进行编译,并对无线微控制器进行程式设计


完成程式设计後,可通过主机PC轻松配置连网照明套件,以开启和关闭 LED,设置亮度、色调和色温。


也可以使用照明叁考设计作为商用照明专案的硬体基础。此方法的一大优势是,叁考设计已预先进行Zigbee 3.0合规性测试,以及美国联邦传播委员会 (FCC)第15部分(排放)合规性和天线辐射模式测试。最终设计仍需进行完整的Zigbee和FCC认证,但预先测试有助於加快测试日程。


ZLL应用程式设计介面(API)

NXP Semiconductor还提供了开发工具,以支援其Zigbee无线收发器。该公司的Zigbee产品组合基於 JN5169 无线微控制器。该晶片专为基於ZLL固件规范以及家居自动化和智慧能源规范的IEEE 802.15.4/Zigbee PRO应用而设计。为简化硬体设计,NXP提供了一个包括印刷电路板、无线微控制器、外设元件和天线在内的叁考设计。


出於开发目的,该公司提供了 JN5169XK020UL 扩展套件。此开发工具构成了一个基於JN5169无线微控制器的Zigbee节点。该节点提供照明和感测器功能,可构成Zigbee无线网路的一部分。可通过Zigbee调试将该扩展套件添加到网路中。


针对固件开发、调试和测试,工程师需要为监控ZLL规范的微处理器搭配一个合适的API。NXP提供了一个这样的ZLL API,与该公司的Zigbee PRO堆叠搭配使用。


将NXP Zigbee PRO API与Jennic作业系统(JennicOS)以及ZLL和ZCL资源一起使用,可开发一个Zigbee PRO应用形式的ZLL应用。


NXP提供用於通过软体发展套件(SDK)免费开发ZLL应用的固件。此SDK 以两个安装程式的方式提供。其中一个与家居自动化共用,并包含Zigbee PRO 堆叠和ZLL规范软体(包括多个C API)。另一个是BeyondStudio,该安装套装程式含用於创建应用的工具链。其中包括用於NXP IDE的BeyondStudio、一个整合的JN51xx编译器,以及一个JN516x快闪记忆体程式设计器。


ZLL应用的主要开发阶段与任何Zigbee PRO应用相同,包括:


1. 使用合适的配置编辑器为节点配置Zigbee网路叁数


2. 使用合适的配置编辑器配置供应用使用的JenOS资源


3. 使用Zigbee PRO API、JenOS API、ZLL API和ZCL为节点开发应用代码


4. 使用合适的编译器和连结器,为节点构建应用二进位档案


5.使用合适的快闪记忆体程式设计器,将应用二进位档案载入节点上的快闪记忆体


总结

智慧照明应用的扩张速度很快。尽管有多种无线技术可用於构建网路,但 Zigbee从一开始便专为居家和工业自动化应用而设计,这一传统使之尤其适合智慧照明应用。ZLL照明固件规范简化,并优化了智慧照明的无线连接。


如上所述,晶片供应商现在提供了多种开发工具,相对简化了为照明应用构建基於ZLL的应用固件的过程。凭藉此类工具,即使非专家用户也能充分利用 LED照明的环境、寿命和灵活性优势。


(本文作者Rich Miron为Digi-Key Electronics应用工程师)


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