ZigBee技術(shù)用于智能照明設(shè)計的解決方案

智能照明正在為消費者環(huán)境做出微小但重要的進展。今天的產(chǎn)品提供了一些關(guān)鍵優(yōu)勢;除了將LED的效率和壽命優(yōu)勢帶入家庭之外，智能照明的無線連接還允許消費者通過智能手機上的觸摸屏改變房間內(nèi)的氛圍，或通過遠程激活系統(tǒng)確保房屋在到家時照亮。

但是，這只是一個開始。如今，無線連接帶來了諸如已安裝產(chǎn)品的無線功能升級和使用監(jiān)控等優(yōu)勢，允許房主估算燈的剩余壽命;明天的無線連接將允許連接物聯(lián)網(wǎng)（IoT），使智能燈能夠改變自己的能耗模式，以減少電費。

幾種無線技術(shù)的目標是智能照明領(lǐng)域包括Bluetooth?Smart（藍牙技術(shù)的低能耗形式），Wi-Fi?和Z-Wave?。市場仍然支離破碎，但可以說，ZigBee?對家庭自動化領(lǐng)域的滲透以及照明巨頭的支持飛利浦和歐司朗已經(jīng)看到它早期領(lǐng)先。

本文將介紹LED飛利浦最近推出了“Hue”智能燈泡，并解釋了設(shè)計師如何利用這些技術(shù)使自己的照明產(chǎn)品變得智能化。本文接著介紹了主要制造商為智能照明設(shè)計提供的一些ZigBee設(shè)計資源和開發(fā)工具，并對未來發(fā)展進行了一瞥。

使照明更加智能化

家庭自動化已經(jīng)自20世紀20年代和30年代住宅的常規(guī)電氣化以來，住宅建筑商一直夢想成為夢想，盡管由于基本的技術(shù)，實際的實施證明是困難的。然而，自20世紀80年代以來，當美國住宅建筑商協(xié)會首次提出“智能住宅”一詞時，廉價可靠電子產(chǎn)品的推出加速了家庭自動化技術(shù)的發(fā)展。

智能照明是也許是家庭自動化領(lǐng)域的典型代表。它基于三種相對較新的電子技術(shù)的融合：固態(tài)照明（SSL），無線連接和可直接從主電源連接的LED電源。這些技術(shù)賦予智能照明以設(shè)計和操作靈活性，這在以前是傳統(tǒng)照明不切實際的。圖1顯示了如何將這些技術(shù)結(jié)合在一個ilumi Smartbulb中，這是一種使用Nordic Semiconductor藍牙智能無線連接的智能燈。

圖1：智能燈泡，例如ilumi的藍牙智能電源示例，將關(guān)鍵技術(shù)整合到標準照明外形中。

基于LED的SSL為智能燈帶來長壽命和高效率，使照明工程師能夠提供緊湊的燈具設(shè)計，并微調(diào)其產(chǎn)品的顏色，溫度和亮度，以滿足幾乎所有消費者的口味。

大約十年前，無線連接首先被添加到燈光中，但是（有些缺乏想象力）僅限于通過用電磁燈替換燈開關(guān)和燈泡之間的物理連接來減少布線。然而，快速改進的RF技術(shù)已經(jīng)看到成本暴跌，同時抗干擾性得到改善，帶寬增加，功耗降低，現(xiàn)在看到強大的雙向RF鏈路，使燈能夠以一秒一次的方式發(fā)送有關(guān)其狀態(tài)的信息并接收指令關(guān)于如何操作另一個。今天的無線連接是智能照明的“智能”，因為它將光線連接到強大的計算設(shè)備，如專有控制器，智能手機，平板電腦和PC。無線連接還允許連接到互聯(lián)網(wǎng)（通過網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)橋或集線器），使房主能夠遠程操作家庭照明。

飛利浦Hue是當代智能照明的領(lǐng)先示例（圖2）。燈泡是A19外形的集成單元（包括電源，光引擎，光學器件和無線連接），帶有E27（愛迪生）螺絲連接器。 Hue被設(shè)計為傳統(tǒng)照明的“插入式”替代品，可在110/230 V下工作，全功率時功率為9 W，待機功耗為0.45 W.發(fā)光度范圍從360到600流明，Hue可以再現(xiàn)2000到4000 K的相關(guān)色溫（CCT），并提供（聲稱的）15,000小時的壽命。然而，并不是規(guī)范使Hue感興趣，而是內(nèi)部的技術(shù)。

圖2：飛利浦Hue是一個360到600流明智能燈泡提供“數(shù)百萬”的顏色。

Hue在SSL照明中相對不常見，因為它不使用最流行的制造白光的方法（將藍色LED與釔鋁石榴石結(jié)合使用（ YAG）熒光粉（參見TechZone文章“更白，更亮的LED”）。相反，它混合來自紅色，綠色和藍色（RGB）芯片的光（參見TechZone文章“通過添加 - 不減去顏色來創(chuàng)建白光”）產(chǎn)生白光和寬色域的其他顏色。

帶有YAG熒光粉的藍色LED因其具有更高的功效而更受歡迎。傳統(tǒng)RGB LED光引擎的功效受到低功效的影響綠色LED。然而，飛利浦照明通過基于Hue燈具的綠色元素來解決這個問題來自Lumileds'Rebel ES家族的石灰綠色LED。

石灰綠色設(shè)備不是純色LED，而是藍色發(fā)光體和專有石灰熒光粉的組合，可克服效率問題綠色設(shè)備。根據(jù)Philips Lumileds的數(shù)據(jù)表，這種藍色LED/綠色熒光粉組合在2.75 V的正向電壓和350 mA的正向電流下的功效高達190 lm/W（參見TechZone文章“Lime-Green LED”）鼓勵色彩可調(diào) - 照明“）。

其他制造商提供適用于智能照明應用的RGB LED光引擎。主要供應商包括LED Engin和Parallax。

RGB LED光引擎相對于藍色LED/YAG熒光粉組合的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可以通過改變RGB LED輸出的比率來改變其顏色。相比之下，一旦藍色LED/YAG熒光粉設(shè)備出廠，其顏色就會固定。

消費者可以使用iOS或Android智能手機上的應用程序更改Hue的顏色。飛利浦宣稱“數(shù)百萬”的顏色是可能的，該應用程序還允許設(shè)置顏色配置文件，以適應不同的活動。例如，可以撥打白色，更亮的燈光以進行閱讀，而具有藍色色調(diào)的低水平燈光可以適合觀看電影;或者燈光可以在一天結(jié)束時變暗并變成粉紅色以引導人們睡覺。

基礎(chǔ)技術(shù)基于Hue系統(tǒng)中的每個參數(shù)，通過來自中央集線器的唯一URL訪問或橋。 Hue的無線連接由ZigBee提供（稍后將詳細介紹）。 ZigBee在智能照明應用方面有許多優(yōu)點，但缺點是缺乏與智能手機的互操作性（與藍牙智能和Wi-Fi等競爭技術(shù)相比）。這意味著智能手機上的應用程序無法直接控制智能燈;相反，智能手機通過Wi-Fi與網(wǎng)橋通信，然后網(wǎng)橋?qū)⒅噶钷D(zhuǎn)換為ZigBee協(xié)議，以便將其傳輸?shù)綗艄狻?/p>

開發(fā)人員可以使用Hue的應用程序編程接口（API）自定義燈光的行為。簡單的說明包括將燈設(shè)置為“ON”或“OFF”，并將亮度更改為255個離散級別之一?？梢允褂酶鼜碗s的指令來設(shè)置顏色。一種方法是根據(jù)CIE色度圖中的“xy”值設(shè)置顏色;第二種方法是改變飽和度和色調(diào)。通過調(diào)整沿普朗克軌跡的光的xy位置，也可以獨立于顏色改變光的CCT（參見TechZone文章“如何使用CIE顏色空間來設(shè)計更好的LED”）。如果所選顏色或CCT在色調(diào)的色域之外，它將以最接近的顏色照亮。圖3顯示了CIE色彩空間中各種類型的Hue燈泡作為三角形的色域。

圖3：飛利浦Hue智能燈可以再現(xiàn)任何顏色三角形內(nèi)的顏色（取決于燈泡型號）。

無線技術(shù)的選擇是智能燈項目成功的關(guān)鍵。飛利浦已經(jīng)選擇了低功耗射頻標準ZigBee，這可能不足為奇，因為該公司是ZigBee聯(lián)盟的成員，ZigBee聯(lián)盟是ZigBee規(guī)范的保管人。歐司朗的LIGHTIFY?智能燈泡也支持這一標準。

根據(jù)該聯(lián)盟的說法，ZigBee在家庭自動化應用中享有很大的市場份額。它是一種開放式標準，具有符合IEEE802.15.4規(guī)范（專為低數(shù)據(jù)速率無線個域網(wǎng)設(shè)計）的物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）。雖然IEEE802.15.4也是其他低功耗無線技術(shù)的基礎(chǔ)（例如，Thread和WirelessHART），但ZigBee標準的上層是該技術(shù)所獨有的。

ZigBee工作在2.4 GHz免許可證工業(yè)，科學和醫(yī)療（ISM）部分無線電頻譜（也可提供915和868 MHz版本），具有16個信道和擴頻編碼，以確保不受干擾在擁擠的2.4 GHz頻段工作的其他無線電的干擾。原始的無線數(shù)據(jù)速率為每通道250 kbit/s，但由于數(shù)據(jù)包開銷和處理延遲，實際數(shù)據(jù)吞吐量將小于最大指定比特率。室內(nèi)范圍可達20米。

ZigBee專注于家庭自動化，為照明應用提供了專用標準或“配置文件”。被稱為ZigBee Light Link（ZLL）的標準1.0版已經(jīng)批準，1.1版正在開發(fā)中。 ZLL是與主要照明制造商合作開發(fā)的。該聯(lián)盟聲稱，ZLL不僅描述了用于照明控制的應用程序消息協(xié)議，還包括一種機制，使“開箱即用”調(diào)試就像按下按鈕一樣簡單。 ZLL配置文件的一個關(guān)鍵原則是系統(tǒng)的操作直觀且不比傳統(tǒng)的有線照明系統(tǒng)復雜。 ZLL配置文件保留了所有ZigBee配置文件的通用特性，包括IEEE802.15.4安全網(wǎng)狀網(wǎng)絡 - 這是照明應用程序的關(guān)鍵要求，可以使數(shù)十個甚至數(shù)百個燈泡協(xié)調(diào)工作。

例如， Hue使用ZigBee的網(wǎng)狀技術(shù)來確保組中的所有燈都充當信號中繼器，這樣整個組就可以作為單個實體運行，即使用戶的智能手機超出其中一些范圍也是如此。

< p>開發(fā)人員可以使用ZLL產(chǎn)品實現(xiàn)不同的顏色設(shè)置，調(diào)光級別和亮度，以及自定義設(shè)置，如“電影”或“睡眠”.ZLL的靈活性基于ZigBee集群庫概念，它提供了一套應用程序級別，無線消息傳遞協(xié)議。 ZLL擴展了最適合智能照明的集群，并使用它們來定義一系列標準設(shè)備，設(shè)計人員可以在這些設(shè)備上建立商業(yè)解決方案。

作為開放標準，ZigBee可確保認證產(chǎn)品之間的互操作性。這種互操作性 - 以及多供應商供應鏈 - 使照明設(shè)計人員能夠指定ZigBee芯片的安全性，因為他們可以為以后的產(chǎn)品更換供應商，并且仍然很有可能讓新設(shè)備與傳統(tǒng)照明設(shè)備進行通信。

根據(jù)ZigBee聯(lián)盟，使用ZigBee標準的另一個好處是，ZLL設(shè)備還可以在網(wǎng)絡級別與基于其他應用程序配置文件的設(shè)備（如家庭自動化（HA））互操作。據(jù)稱，這允許最終用戶將非照明設(shè)備集成為更廣泛的智能家庭網(wǎng)絡的一部分。 [1]

緩解無線開發(fā)

RF工程學是一項棘手的業(yè)務，特別是對于該領(lǐng)域的非專家，如照明開發(fā)人員。然而，雖然仍然不是微不足道的，但RF芯片供應商提供的工具和參考設(shè)計使得為產(chǎn)品添加無線連接變得更加容易。

例如，Silicon Labs為其提供了一個名為EM35X-DEV的開發(fā)套件。 EM357 ZigBee片上系統(tǒng)（SoC）。 EM357被公司推廣為智能照明應用的良好解決方案（圖4）。 EM357具有32位ARM ? Cortex ? -M3處理器，IEEE802.15.4無線電，128或192 kB閃存，12 kB RAM和AES128加密。當發(fā)射（TX）時接收（RX）31 mA時，無線電具有103 dB鏈路預算和26 mA的低功率操作。

圖4：Silicon Labs的EM357 ZigBee SoC是智能照明應用的理想選擇。

開發(fā)套件包括三個EM35x無線電控制模塊和一組六個其他模塊，數(shù)據(jù)仿真接口電纜，一個帶四個POE端口的8端口交換機和InSight桌面軟件。該套件還包括針對ARM的IAR Embedded Workbench的30天試用許可證，以簡化嵌入式處理器上的應用程序代碼開發(fā)。

Atmel 還提供名為ATSAMR21ZLL的ZLL開發(fā)套件 - EK用于SAM R21基于ARM的無線微控制器。該芯片基于32位ARM Cortex-M0 +處理器和集成的IEEE802.15.4無線電。 SAM R21器件采用32引腳和48引腳封裝，具有高達256 kB的閃存和32 kB的SRAM。該無線電具有高達103 dB的鏈路預算，除了250 kbit/s的標準ZigBee原始數(shù)據(jù)速率外，還可支持500 kbit/s和1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。

該開發(fā)套件支持板載嵌入式調(diào)試器，天線分集，RGB LED，OLED顯示器，操縱桿，用戶LED，用戶開關(guān)，Atmel Xplained Pro擴展接頭，外部USB和UART接口。

Texas Instruments （TI）還提供符合ZLL標準的ZigBee SoC CC2531。該芯片具有8051微控制器，IEEE802.15.4無線電，128或256 kB閃存，8 kB RAM和AES128加密。當發(fā)射（TX）時接收（RX）29 mA時，收音機具有24 mA的低功率操作。使用OSRAMOSLON?SSLLED的彩色LED燈參考設(shè)計“CC2531 Zlight2參考設(shè)計”可在TI網(wǎng)站 [2] 上獲得（圖5）。

圖5：TI為RGB LED供電燈提供參考設(shè)計。

駕駛智能燈

大多數(shù)現(xiàn)有LED照明設(shè)計有外部AC-DC轉(zhuǎn)換器將電源電壓降低到LED要求的低電壓DC電壓。然而，現(xiàn)代智能照明解決方案被設(shè)計成直接擰入由傳統(tǒng)光線騰出的插座中，因此需要集成電源（或LED驅(qū)動器）。這是一個挑戰(zhàn)，因為這種電源相對復雜（為傳統(tǒng)產(chǎn)品中的每個白光LED驅(qū)動三個LED）;但是必須安裝在非常熱的LED附近的狹小空間內(nèi)。

有許多商用芯片可供開發(fā)人員使用恩智浦，安森美半導體和TI等公司生產(chǎn)的智能LED驅(qū)動器。有關(guān)更多信息，請參閱Digi-Key文章庫，其中包含指導設(shè)計師正確指導合適的集成智能燈驅(qū)動程序的資源。

今天的智能燈是令人印象深刻的產(chǎn)品，但僅限于開始劃清可能的表面。他們的大部分手術(shù)仍然依賴于人為干預。明天將看到無線連接的燈直接與互聯(lián)網(wǎng)通信 - 通過RF協(xié)議棧中的IPv6層等技術(shù) - 并在新興的物聯(lián)網(wǎng)中占據(jù)適當位置。

直接與云通信在天空由于風暴而變暗之前，燈會亮起，調(diào)節(jié)它們的使用以利用能源供應商的可變關(guān)稅，甚至在感覺到性能下降時訂購自己的替代品。智能燈的未來非常光明。