使用 Zigbee 光链路快速、轻松地实现灵活的智能照明

投稿人:Digi-Key 北美编辑

智能照明集高能效 LED、可定制功能和低功耗无线技术优势于一体,是一项正在快速增长的应用。但由于它的快速扩张,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:

  • 成熟的网状网络基础
  • 专为智能照明而优化的 Zigbee 光链路 (ZLL) 应用规范
  • 设计工具支持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。之后,本文将介绍多种开发工具和参考设计,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络,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持瞬时开关,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能照明应用。用户可利用无线连接来远程操作灯具,对照明进行细微的更改,例如使用智能手机、遥控器或语音命令改变房间内不同区域的光强度。

许多无线技术还支持网状网络,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能照明应用的要求,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;足够的带宽;互操作性;多供应商支持和广泛采用。(有关适合此应用的低功耗无线技术的更多信息,请参见 Digi-Key 文章“低功耗无线技术之比较”。)

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。这使得它的网状网络功能尤其易于设置和扩展。其次,该技术基于 IEEE 802.15.4 定义的物理层 (PHY) 和介质访问控制 (MAC) 层,有望与其他同样基于 PHY 和 MAC 层的家居自动化协议(例如 Thread)实现互操作(图 1)。第三,Zigbee 已被 OSRAM 和 Philips 等多家大型照明制造商采用。

基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 层的 Zigbee 堆栈图片

图 1:Zigbee 堆栈基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 层,有望与其他基于相同层的射频协议实现互操作。(图片来源:Zigbee 联盟)

Zigbee 光链路

Zigbee 于 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,位于 IEEE 802.15.4 PHY/MAC/Zigbee PRO 堆栈的应用层(图 2)。

Zigbee 光链路是一个 Zigbee 规范图片

图 2:Zigbee 光链路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆栈应用层内的一个 Zigbee 规范。(图片来源: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界面,以及不同制造商产品之间的互操作性框架。

ZLL 系统由多个节点构成,例如开关、传感器、遥控器,以及发送控制命令的智能手机。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。(表格来源:NXP Semiconductors)

利用 ZLL 调试可以从头创建 ZLL 网络,或向现有的 ZLL 网络添加新节点。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。

群集软件设备可供 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/关插件单元 0x0010
可调光灯 0x0100
可调光插件单元 0x0110
彩色灯 0x0200
扩展的彩色灯 0x0210
色温灯 0x0220

表 2:群集软件设备可供 ZLL 用于增加 Zigbee 照明网络的功能。(表格来源:NXP Semiconductors)

ZLL 软件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/关插件单元”设备通常在包含可控市电插头或适配器(此插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。
  • “可调光插件单元”设备通常在包含可控市电插头或适配器(此插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。此设备支持众多颜色参数,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”设备所支持的颜色参数之外,还支持色温。
  • “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件群集设备,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持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传感器,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 规范的网关实现远程控制。

ZLL 入门

得益于 Zigbee 芯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。该套件基于该公司的 EFR32MG1P732F256GM32 无线微控制器,并附带预编程的 Zigbee Z3ColorControlLight 样例应用程序。该套件由照明参考设计模块和演示板构成(图 3)。

Silicon Labs 的连网照明套件图片

图 3:Silicon Labs 的连网照明套件由照明参考设计模块和演示板构成(电路图见图片底部)。(图片来源:Silicon Labs)

Zigbee 应用源代码位于该公司的 EmberZNet PRO 堆栈内,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 设备或智能手机互操作,因此往往需要使用网关来桥接至基于 IP 的以太网或基于 Wi-Fi 的无线局域网 (WLAN),以及从网关桥接至云。

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 网关”来链接其 LIGHTIFY (Zigbee) 照明组件,以便通过 PC 或移动设备进行调试和配置。该网关还支持用户在离家后通过智能手机进行远程控制。(图 4)。

Zigbee 和基于 IP 的网络之间的网关示意图

图 4:Zigbee 照明系统需要在 Zigbee 和 IP 网络(例如有线或无线 LAN 和互联网)之间使用网关进行桥接,才能访问云。(图片来源:OSRAM)

使用连网照明套件和无线入门套件进行开发时,建议在开发网络中增加 Silicon Labs 的 RD-0002-0201 Zigbee USB 虚拟网关。该虚拟网关包含一个 Web 服务器,提供访问桌面或移动 Web 浏览器的用户界面,以便开发人员能够通过智能手机等移动设备全面测试系统的远程控制。

所有 Zigbee 网络都必须包含一个扮演协调器角色,并允许对网络中的新设备进行调试的设备。出于开发目的,最好将网关用作协调器。网关的一项额外优势是,它能用于借助 .ota(“over-the-air”,空中传输)文件对连接照明套件进行重新编程。

此外,最好在开发网络中包含其他 Zigbee 设备,例如开关和更多的灯,以便测试和验证它们在照明参考设计中的互操作性(图 5)。

Silicon Labs 的智能照明开发设置图片

图 5:Silicon Labs 的智能照明开发设置允许开发人员快速着手开发 Zigbee 照明系统设计项目。(图片来源:Silicon Labs)

将 Silicon Labs 的 Simplicity Studio IoT 开发软件与基于 Eclipse 4.5 的集成开发环境(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件。

如要构建应用软件,开发人员需遵从以下流程:

  1. 安装 EmberZNet PRO 堆栈
  2. 在 Simplicity Studio AppBuilder 中创建新的应用框架配置,并选择片上系统 (SoC) 堆栈版本
  3. 使用连网照明套件附带的 Z3ColorControlLight 样例应用创建项目
  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头文件
  5. 将项目文件保存到目录中
  6. 使用 Embedded Workbench 或兼容的 IDE 进行编译,并对无线微控制器进行编程

完成编程后,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。

也可以使用照明参考设计作为商用照明项目的硬件基础。此方法的一大优势是,参考设计已预先进行 Zigbee 3.0 合规性测试,以及美国联邦通信委员会 (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,但预先测试有助于加快测试日程。

ZLL 应用编程接口 (API)

NXP Semiconductor 还提供了开发工具,以支持其 Zigbee 无线收发器。该公司的 Zigbee 产品组合基于 JN5169 无线微控制器。该芯片专为基于 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。为简化硬件设计,NXP 提供了一个包括印刷电路板、无线微控制器、外设组件和天线在内的参考设计。

出于开发目的,该公司提供了 JN5169XK020UL 扩展套件。此开发工具构成了一个基于 JN5169 无线微控制器的 Zigbee 节点。该节点提供照明和传感器功能,可构成 Zigbee 无线网络的一部分。可通过 Zigbee 调试将该扩展套件添加到网络中。 

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 堆栈搭配使用。

将 NXP Zigbee PRO API 与 Jennic 操作系统 (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 提供用于通过软件开发套件 (SDK) 免费开发 ZLL 应用的固件。此 SDK 以两个安装程序的方式提供。其中一个与家居自动化共用,并包含 Zigbee PRO 堆栈和 ZLL 规范软件(包括多个 C API)。另一个是 BeyondStudio,该安装程序包含用于创建应用的工具链。其中包括用于 NXP IDE 的 BeyondStudio、一个集成的 JN51xx 编译器,以及一个 JN516x 闪存编程器。

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 网络参数
  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链接器为节点构建应用二进制文件
  5. 使用合适的闪存编程器,将应用二进制文件载入节点上的闪存

总结

智能照明应用的扩张速度很快。尽管有多种无线技术可用于构建网络,但 Zigbee 从一开始便专为家居和工业自动化应用而设计,这一传统使之尤其适合智能照明应用。ZLL 照明固件规范简化并优化了智能照明的无线连接。

如上所述,芯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于 ZLL 的应用固件的过程。凭借此类工具,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。

免责声明:各个作者和/或论坛参与者在本网站发表的观点、看法和意见不代表 Digi-Key Electronics 的观点、看法和意见,也不代表 Digi-Key Electronics 官方政策。

关于此出版商

Digi-Key 北美编辑