如何使用Zigbee光鏈路快速構(gòu)建無線照明網(wǎng)絡(luò)

智能照明集高能效 LED、可定制功能和低功耗無線技術(shù)優(yōu)勢于一體，是一項正在快速增長的應(yīng)用。但由于它的快速擴(kuò)張，開發(fā)人員持續(xù)面臨壓力，在最大限度降低單位連接成本的同時，還要不斷縮短開發(fā)周期。當(dāng)涉及成千上萬的燈連接時，就必須要有成熟、可靠的低功耗無線連接。

合適的無線技術(shù)有多種，但 Zigbee 具有多個有吸引力的特性，包括：

成熟的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

專為智能照明而優(yōu)化的 Zigbee 光鏈路 （ZLL） 應(yīng)用規(guī)范

設(shè)計工具支持使得該技術(shù)的實現(xiàn)相對簡單

廣泛的半導(dǎo)體供應(yīng)商和照明制造商支持

本文將簡要介紹 Zigbee 無線技術(shù)及其在照明應(yīng)用中的使用。之后，本文將介紹多種開發(fā)工具和參考設(shè)計，讓非專家級射頻工程師不僅能夠更輕松地建立無線照明網(wǎng)絡(luò)，還能最大限度發(fā)揮 LED 照明的潛力。

LED + 射頻 = 智能燈

LED 相比傳統(tǒng)照明具有多種優(yōu)勢。其中最重要的優(yōu)勢包括體積小巧、能效高和使用壽命長。LED 還能實現(xiàn)靈活的照明。例如，固態(tài)照明可通過調(diào)光實現(xiàn)精確的光輸出并支持瞬時開關(guān)，如果光是由白光 LED 輔以紅、綠和藍(lán)器件產(chǎn)生，還可進(jìn)行廣泛的色調(diào)、飽和度和色溫調(diào)節(jié)。

通過在采用無線控制的固態(tài)照明中增加射頻連接，設(shè)計人員可以實現(xiàn)靈活的智能照明應(yīng)用。用戶可利用無線連接來遠(yuǎn)程操作燈具，對照明進(jìn)行細(xì)微的更改，例如使用智能手機(jī)、遙控器或語音命令改變房間內(nèi)不同區(qū)域的光強(qiáng)度。

許多無線技術(shù)還支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這不僅能擴(kuò)大無線鏈路的有效范圍，還能實現(xiàn)多種功能，例如控制住宅或商業(yè)樓宇內(nèi)的特定燈或小型燈組。雙向無線鏈路還使照明燈具能夠支持接近感應(yīng)和電能計量等其他功能。

Zigbee 的優(yōu)勢

有多種低功耗射頻技術(shù)可以滿足智能照明應(yīng)用的要求，例如低功耗藍(lán)牙、Thread、Z-Wave 和低功耗 Wi-Fi。其中的關(guān)鍵要求包括：在工業(yè)、科研和醫(yī)療 （ISM） 頻譜分配內(nèi)的免許可操作；低功耗；干擾避免和緩解機(jī)制；足夠的帶寬；互操作性；多供應(yīng)商支持和廣泛采用。（有關(guān)適合此應(yīng)用的低功耗無線技術(shù)的更多信息，請參見 Digi-Key 文章“低功耗無線技術(shù)之比較”。）

Zigbee 符合上述要求，同時還增加了自己的若干功能，包括一項專門針對照明應(yīng)用的功能。值得注意的是，該技術(shù)從一開始便專為家居和工業(yè)自動化應(yīng)用而設(shè)計。這使得它的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能尤其易于設(shè)置和擴(kuò)展。其次，該技術(shù)基于 IEEE 802.15.4 定義的物理層 （PHY） 和介質(zhì)訪問控制 （MAC） 層，有望與其他同樣基于 PHY 和 MAC 層的家居自動化協(xié)議（例如 Thread）實現(xiàn)互操作（圖 1）。第三，Zigbee 已被 OSRAM 和 Philips 等多家大型照明制造商采用。

圖 1：Zigbee 堆棧基于 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 層，有望與其他基于相同層的射頻協(xié)議實現(xiàn)互操作。（圖片來源：Zigbee 聯(lián)盟）

Zigbee 光鏈路

Zigbee 于 2013 年引入 ZLL，增強(qiáng)了其在照明應(yīng)用中的適合性。ZLL 是一個 Zigbee 規(guī)范，位于 IEEE 802.15.4 PHY/MAC/Zigbee PRO 堆棧的應(yīng)用層（圖 2）。

圖 2：Zigbee 光鏈路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆棧應(yīng)用層內(nèi)的一個 Zigbee 規(guī)范。（圖片來源：NXP Semiconductors）

ZLL 采用的設(shè)計對用戶極其友好，而且直接面向消費(fèi)市場以及專業(yè)安裝。該技術(shù)的主要優(yōu)勢包括相對直觀的調(diào)試和配置界面，以及不同制造商產(chǎn)品之間的互操作性框架。

ZLL 系統(tǒng)由多個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，例如開關(guān)、傳感器、遙控器，以及發(fā)送控制命令的智能手機(jī)。該系統(tǒng)還包含不同節(jié)點(diǎn)，例如接收和執(zhí)行這些命令的單色燈和彩色燈。

ZLL 規(guī)范使用特定的群集，即定義設(shè)備可通過 Zigbee 群集庫 （ZCL） 執(zhí)行哪些操作的命令和屬性組，此外還定義了一個自己的群集（“ZLL 調(diào)試”）（表 1）。

類別 群集 群集 ID ZCL 基礎(chǔ) 0x0000 識別 0x0003 組 0x0004 場景 0x0005 開/關(guān) 0x0006 電平控制 0x0008 顏色控制 0x0300 ZLL ZLL 調(diào)試 0x1000

表 1：ZLL 利用來自 ZCL 的群集，并定義了自己的調(diào)試群集。（表格來源：NXP Semiconductors）

利用 ZLL 調(diào)試可以從頭創(chuàng)建 ZLL 網(wǎng)絡(luò)，或向現(xiàn)有的 ZLL 網(wǎng)絡(luò)添加新節(jié)點(diǎn)。可協(xié)助進(jìn)行調(diào)試的節(jié)點(diǎn)被稱為“啟動器”，它可能是遙控器或燈具等設(shè)備。從控制節(jié)點(diǎn)可以配置和調(diào)整一盞或多盞燈。

群集軟件設(shè)備可供 ZLL 照明設(shè)備使用，包含在接收和執(zhí)行命令的 ZLL 物理節(jié)點(diǎn)內(nèi)（表 2）。

ZLL 設(shè)備 設(shè)備 ID 開/關(guān)燈 0x0000 開/關(guān)插件單元 0x0010 可調(diào)光燈 0x0100 可調(diào)光插件單元 0x0110 彩色燈 0x0200 擴(kuò)展的彩色燈 0x0210 色溫?zé)?0x0220

表 2：群集軟件設(shè)備可供 ZLL 用于增加 Zigbee 照明網(wǎng)絡(luò)的功能。（表格來源：NXP Semiconductors）

ZLL 軟件設(shè)備的功能如下所述：

“開/關(guān)燈”設(shè)備通常在包含只能開啟和關(guān)閉的燈的節(jié)點(diǎn)中使用。

“開/關(guān)插件單元”設(shè)備通常在包含可控市電插頭或適配器（此插頭或適配器還包括一個開關(guān)）的節(jié)點(diǎn)中使用。

“可調(diào)光燈”設(shè)備通常在包含可調(diào)節(jié)亮度的燈的節(jié)點(diǎn)中使用。

“可調(diào)光插件單元”設(shè)備通常在包含可控市電插頭或適配器（此插頭或適配器還包含可調(diào)節(jié)的燈輸出）的節(jié)點(diǎn)中使用。

“彩色燈”設(shè)備通常在包含可調(diào)節(jié)顏色和亮度的彩色燈的節(jié)點(diǎn)中使用。此設(shè)備支持眾多顏色參數(shù)，包括色調(diào)和飽和度等。

“擴(kuò)展的彩色燈”設(shè)備通常在包含可調(diào)節(jié)顏色和亮度的彩色燈的節(jié)點(diǎn)中使用。此設(shè)備除了“彩色燈”設(shè)備所支持的顏色參數(shù)之外，還支持色溫。

“色溫?zé)簟痹O(shè)備通常在包含可調(diào)節(jié)顏色（和亮度）并使用色溫操作的彩色燈的節(jié)點(diǎn)中使用。

工程師可通過使用這些軟件群集設(shè)備，構(gòu)建能夠提供開關(guān)和調(diào)光之外其他功能的 ZLL 系統(tǒng)。例如，通過使用規(guī)范，開發(fā)人員可以構(gòu)建支持色調(diào)和色溫調(diào)節(jié)以及上述分組功能的系統(tǒng)。此外，他們還可以在系統(tǒng)中增加接近傳感器，設(shè)置燈在特定時間工作，以及在用戶遠(yuǎn)離建筑物時通過符合 IP 規(guī)范的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

ZLL 入門

得益于 Zigbee 芯片供應(yīng)商提供的開發(fā)工具，使用 ZLL 的開發(fā)工作變得輕松多了。例如，Silicon Labs 提供了 RD-0085-0401 連接照明套件。該套件基于該公司的 EFR32MG1P732F256GM32 無線微控制器，并附帶預(yù)編程的 Zigbee Z3ColorControlLight 樣例應(yīng)用程序。該套件由照明參考設(shè)計模塊和演示板構(gòu)成（圖 3）。

圖 3：Silicon Labs 的連網(wǎng)照明套件由照明參考設(shè)計模塊和演示板構(gòu)成（電路圖見圖片底部）。（圖片來源：Silicon Labs）

Zigbee 應(yīng)用源代碼位于該公司的 EmberZNet PRO 堆棧內(nèi)，但開發(fā)人員必須先購買并注冊 Silicon Labs SLWSTK6000B 無線入門套件。

Zigbee 照明本身不能與 IP 設(shè)備或智能手機(jī)互操作，因此往往需要使用網(wǎng)關(guān)來橋接至基于 IP 的以太網(wǎng)或基于 Wi-Fi 的無線局域網(wǎng) （WLAN），以及從網(wǎng)關(guān)橋接至云。

例如，在市場的消費(fèi)產(chǎn)品端，照明制造商 OSRAM 推薦消費(fèi)者使用其“Pro 網(wǎng)關(guān)”來鏈接其 LIGHTIFY （Zigbee） 照明組件，以便通過 PC 或移動設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和配置。該網(wǎng)關(guān)還支持用戶在離家后通過智能手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。（圖 4）。

圖 4：Zigbee 照明系統(tǒng)需要在 Zigbee 和 IP 網(wǎng)絡(luò)（例如有線或無線 LAN 和互聯(lián)網(wǎng)）之間使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行橋接，才能訪問云。（圖片來源：OSRAM）

使用連網(wǎng)照明套件和無線入門套件進(jìn)行開發(fā)時，建議在開發(fā)網(wǎng)絡(luò)中增加 Silicon Labs 的 RD-0002-0201 Zigbee USB 虛擬網(wǎng)關(guān)。該虛擬網(wǎng)關(guān)包含一個 Web 服務(wù)器，提供訪問桌面或移動 Web 瀏覽器的用戶界面，以便開發(fā)人員能夠通過智能手機(jī)等移動設(shè)備全面測試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

所有 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)都必須包含一個扮演協(xié)調(diào)器角色，并允許對網(wǎng)絡(luò)中的新設(shè)備進(jìn)行調(diào)試的設(shè)備。出于開發(fā)目的，最好將網(wǎng)關(guān)用作協(xié)調(diào)器。網(wǎng)關(guān)的一項額外優(yōu)勢是，它能用于借助 .ota（“over-the-air”，空中傳輸）文件對連接照明套件進(jìn)行重新編程。

此外，最好在開發(fā)網(wǎng)絡(luò)中包含其他 Zigbee 設(shè)備，例如開關(guān)和更多的燈，以便測試和驗證它們在照明參考設(shè)計中的互操作性（圖 5）。

圖 5：Silicon Labs 的智能照明開發(fā)設(shè)置允許開發(fā)人員快速著手開發(fā) Zigbee 照明系統(tǒng)設(shè)計項目。（圖片來源：Silicon Labs）

將 Silicon Labs 的 Simplicity Studio IoT 開發(fā)軟件與基于 Eclipse 4.5 的集成開發(fā)環(huán)境（IDE，例如 IAR Embedded Workbench）搭配使用，可以輕松為一個簡易系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)用軟件。

如要構(gòu)建應(yīng)用軟件，開發(fā)人員需遵從以下流程：

安裝 EmberZNet PRO 堆棧

在 Simplicity Studio AppBuilder 中創(chuàng)建新的應(yīng)用框架配置，并選擇片上系統(tǒng) （SoC） 堆棧版本

使用連網(wǎng)照明套件附帶的 Z3ColorControlLight 樣例應(yīng)用創(chuàng)建項目

在 AppBuilder 的“hal configuration（hal 配置）”選項卡下，確認(rèn)無線微控制器的架構(gòu)和頭文件

將項目文件保存到目錄中

使用 Embedded Workbench 或兼容的 IDE 進(jìn)行編譯，并對無線微控制器進(jìn)行編程

完成編程后，可通過主機(jī) PC 輕松配置連網(wǎng)照明套件，以開啟和關(guān)閉 LED，設(shè)置亮度、色調(diào)和色溫。

也可以使用照明參考設(shè)計作為商用照明項目的硬件基礎(chǔ)。此方法的一大優(yōu)勢是，參考設(shè)計已預(yù)先進(jìn)行 Zigbee 3.0 合規(guī)性測試，以及美國聯(lián)邦通信委員會 （FCC） 第 15 部分（排放）合規(guī)性和天線輻射模式測試。最終設(shè)計仍需進(jìn)行完整的 Zigbee 和 FCC 認(rèn)證，但預(yù)先測試有助于加快測試日程。

ZLL 應(yīng)用編程接口 （API）

NXP Semiconductor 還提供了開發(fā)工具，以支持其 Zigbee 無線收發(fā)器。該公司的 Zigbee 產(chǎn)品組合基于 JN5169 無線微控制器。該芯片專為基于 ZLL 固件規(guī)范以及家居自動化和智慧能源規(guī)范的 IEEE 802.15.4/Zigbee PRO 應(yīng)用而設(shè)計。為簡化硬件設(shè)計，NXP 提供了一個包括印刷電路板、無線微控制器、外設(shè)組件和天線在內(nèi)的參考設(shè)計。

出于開發(fā)目的，該公司提供了 JN5169XK020UL 擴(kuò)展套件。此開發(fā)工具構(gòu)成了一個基于 JN5169 無線微控制器的 Zigbee 節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)提供照明和傳感器功能，可構(gòu)成 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)的一部分?？赏ㄟ^ Zigbee 調(diào)試將該擴(kuò)展套件添加到網(wǎng)絡(luò)中。

針對固件開發(fā)、調(diào)試和測試，工程師需要為監(jiān)控 ZLL 規(guī)范的微處理器搭配一個合適的 API。NXP 提供了一個這樣的 ZLL API，與該公司的 Zigbee PRO 堆棧搭配使用。

將 NXP Zigbee PRO API 與 Jennic 操作系統(tǒng) （JennicOS） 以及 ZLL 和 ZCL 資源一起使用，可開發(fā)一個 Zigbee PRO 應(yīng)用形式的 ZLL 應(yīng)用。

NXP 提供用于通過軟件開發(fā)套件 （SDK） 免費(fèi)開發(fā) ZLL 應(yīng)用的固件。此 SDK 以兩個安裝程序的方式提供。其中一個與家居自動化共用，并包含 Zigbee PRO 堆棧和 ZLL 規(guī)范軟件（包括多個 C API）。另一個是 BeyondStudio，該安裝程序包含用于創(chuàng)建應(yīng)用的工具鏈。其中包括用于 NXP IDE 的 BeyondStudio、一個集成的 JN51xx 編譯器，以及一個 JN516x 閃存編程器。

ZLL 應(yīng)用的主要開發(fā)階段與任何 Zigbee PRO 應(yīng)用相同，包括：

使用合適的配置編輯器為節(jié)點(diǎn)配置 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

使用合適的配置編輯器配置供應(yīng)用使用的 JenOS 資源

使用 Zigbee PRO API、JenOS API、ZLL API 和 ZCL 為節(jié)點(diǎn)開發(fā)應(yīng)用代碼

使用合適的編譯器和鏈接器為節(jié)點(diǎn)構(gòu)建應(yīng)用二進(jìn)制文件

使用合適的閃存編程器，將應(yīng)用二進(jìn)制文件載入節(jié)點(diǎn)上的閃存

總結(jié)

智能照明應(yīng)用的擴(kuò)張速度很快。盡管有多種無線技術(shù)可用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，但 Zigbee 從一開始便專為家居和工業(yè)自動化應(yīng)用而設(shè)計，這一傳統(tǒng)使之尤其適合智能照明應(yīng)用。ZLL 照明固件規(guī)范簡化并優(yōu)化了智能照明的無線連接。

如上所述，芯片供應(yīng)商現(xiàn)在提供了多種開發(fā)工具，相對簡化了為照明應(yīng)用構(gòu)建基于 ZLL 的應(yīng)用固件的過程。憑借此類工具，即使非專家用戶也能充分利用 LED 照明的環(huán)境、壽命和靈活性優(yōu)勢。