帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
使用Zigbee光鏈路快速、輕鬆實現靈活的智慧照明
 

【作者: Rich Miron】   2018年11月06日 星期二

瀏覽人次:【308】
  


智慧照明集高能效LED、可定製功能和低功耗無線技術優勢於一體,是一項正在快速增長的應用。但由於它的快速擴張,開發人員持續面臨壓力,在最大限度降低單位連接成本的同時,還要不斷縮短開發週期。當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。


合適的無線技術有多種,但Zigbee具有多個有吸引力的特性,包括:


‧ 成熟的網狀網路基礎


專為智慧照明而優化的Zigbee光鏈路(Zigbee Light Link;ZLL)應用規範


‧ 設計工具支援使得該技術的實現相對簡單


‧ 廣泛的半導體供應商和照明製造商支持


本文將簡要介紹Zigbee無線技術及其在照明應用中的使用。之後,本文將介紹多種開發工具和參考設計,讓非專家級射頻工程師不僅能夠更輕鬆地建立無線照明網路,還能最大限度發揮LED照明的潛力。


LED+射頻=智能燈

LED相比傳統照明具有多種優勢。其中最重要的優勢包括體積小巧、能效高和使用壽命長。LED還能實現靈活的照明。例如,固態照明可通過調光實現精確的光輸出並支援暫態開關,如果光是由白光LED輔以紅、綠和藍器件產生,還可進行廣泛的色調、飽和度和色溫調節。


通過在採用無線控制的固態照明中增加射頻連接,設計人員可以實現靈活的智慧照明應用。用戶可利用無線連接來遠端操作燈具,對照明進行細微的更改,例如使用智慧手機、遙控器或語音命令改變房間內不同區域的光強度。


許多無線技術還支援網狀網路,這不僅能擴大無線鏈路的有效範圍,還能實現多種功能,例如控制住宅或商業樓宇內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和電能計量等其他功能。


Zigbee的優勢

有多種低功耗射頻技術可以滿足智慧照明應用的要求,例如低功耗藍牙、Thread、Z-Wave和低功耗Wi-Fi。其中的關鍵要求包括:在工業、科研和醫療 (ISM)頻譜分配內的免許可操作、低功耗、干擾避免和緩解機制、足夠的頻寬、互通性、多供應商支持和廣泛採用。


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用的功能。值得注意的是,該技術從一開始便專為家居和工業自動化應用而設計,這使得它的網狀網路功能尤其易於設置和擴展。其次,該技術基於IEEE 802.15.4定義的實體層(PHY)和介質存取控制(MAC)層,有望與其他同樣基於 PHY和MAC層的家居自動化協議(例如Thread)實現交互操作(圖 1)。第三,Zigbee已被 OSRAM 和Philips等多家大型照明製造商採用。



圖1 : Zigbee堆疊基於IEEE 802.15.4 PHY和MAC層,有望與其他基於相同層的射頻協議實現交互操作。(source:Zigbee聯盟)
圖1 : Zigbee堆疊基於IEEE 802.15.4 PHY和MAC層,有望與其他基於相同層的射頻協議實現交互操作。(source:Zigbee聯盟)

Zigbee光鏈路

Zigbee於2013年引入ZLL,增強了其在照明應用中的適合性。ZLL是一個 Zigbee規範,位於IEEE 802.15.4 PHY/MAC/Zigbee PRO堆疊的應用層(圖2)。



圖2 : Zigbee 光鏈路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆疊應用層內的一個 Zigbee 規範。(source:NXP Semiconductors)
圖2 : Zigbee 光鏈路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆疊應用層內的一個 Zigbee 規範。(source:NXP Semiconductors)

ZLL採用的設計對用戶極其友好,而且直接面向消費市場以及專業安裝。該技術的主要優勢包括相對直觀的調試和配置介面,以及不同製造商產品之間的互通性框架。


ZLL系統由多個節點構成,例如開關、感測器、遙控器,以及發送控制命令的智慧手機。該系統還包含不同節點,例如接收和執行這些命令的單色燈和彩色燈。


ZLL規範使用特定的群集,即定義設備可通過Zigbee群集庫(ZCL)執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調試”)(表1)。












類別群集群集 ID
ZCL基礎0x0000
識別0x0003
0x0004
場景0x0005
開/關0x0006
電平控制0x0008
顏色控制0x0300
ZLLZLL調試0x1000


表1:ZLL利用來自ZCL的群集,並定義了自己的調試群集。(source:NXP Semiconductors)

利用ZLL調試可以從頭創建ZLL網路,或向現有的ZLL網路添加新節點。可協助進行調試的節點被稱為「啟動器」,它可能是遙控器或燈具等設備。從控制節點可以配置和調整一盞或多盞燈。


群集軟體設備可供ZLL照明設備使用,包含在接收和執行命令的ZLL物理節點內(表2)。



































ZLL 設備 設備 ID
開/關燈 0x0000
開/關外掛程式單元 0x0010
可調光燈 0x0100
可調光外掛程式單元 0x0110
彩色燈 0x0200
擴展的彩色燈 0x0210
色溫燈 0x0220


表2:群集軟體設備可供ZLL用於增加Zigbee照明網路的功能。(source:NXP Semiconductors)

ZLL軟體設備的功能如下所述:


‧ 「開/關燈」設備通常在包含只能開啟和關閉的燈的節點中使用。


‧ 「開/關外掛程式單元」設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)的節點中使用。


‧ 「可調光燈」設備通常在包含可調節亮度的燈的節點中使用。


‧ 「可調光外掛程式單元」設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節的燈輸出)的節點中使用。


‧ 「彩色燈」設備通常在包含可調節顏色和亮度的彩色燈的節點中使用。此設備支援眾多顏色參數,包括色調和飽和度等。


‧ 「擴展的彩色燈」設備通常在包含可調節顏色和亮度的彩色燈的節點中使用。此設備除了「彩色燈」設備所支援的顏色參數之外,還支援色溫。


‧ 「色溫燈」設備通常在包含可調節顏色(和亮度)並使用色溫操作的彩色燈的節點中使用。


工程師可通過使用這些軟體群集設備,構建能夠提供開關和調光之外其他功能的ZLL系統。例如通過使用規範,開發人員可以構建支援色調和色溫調節,以及上述分組功能的系統。此外,他們還可以在系統中增加接近感測器,設置燈在特定時間工作,以及在用戶遠離建築物時通過符合IP規範的閘道實現遠端控制。


ZLL入門

得益於Zigbee晶片供應商提供的開發工具,使用ZLL的開發工作變得輕鬆多了。例如,Silicon Labs 提供了 RD-0085-0401 連接照明套件。該套件基於該公司的 EFR32MG1P732F256GM32 無線微控制器,並附帶預程式設計的Zigbee Z3ColorControlLight樣例應用程式。該套件由照明參考設計模組和演示板構成(圖3)。



圖3 : Silicon Labs的連網照明套件由照明參考設計模組和演示板構成(電路圖見圖片底部)。(source:Silicon Labs)
圖3 : Silicon Labs的連網照明套件由照明參考設計模組和演示板構成(電路圖見圖片底部)。(source:Silicon Labs)

Zigbee應用原始程式碼位於該公司的EmberZNet PRO堆疊內,但開發人員必須先購買並註冊Silicon Labs SLWSTK6000B 無線入門套件。


Zigbee照明本身不能與IP設備或智慧手機交互操作,因此往往需要使用閘道來橋接至基於IP的乙太網或基於Wi-Fi的無線局域網(WLAN),以及從閘道橋接至雲。


例如,在市場的消費產品端,照明製造商OSRAM推薦消費者使用其「Pro閘道」來連結其LIGHTIFY(Zigbee)照明元件,以便通過PC或移動設備進行調試和配置,該閘道還支持用戶在離家後通過智慧手機進行遠端控制。(圖 4)。



圖4 : Zigbee照明系統需要在Zigbee和IP網路(例如有線或無線LAN和互聯網)之間使用閘道進行橋接,才能瀏覽雲。(source:OSRAM)
圖4 : Zigbee照明系統需要在Zigbee和IP網路(例如有線或無線LAN和互聯網)之間使用閘道進行橋接,才能瀏覽雲。(source:OSRAM)

使用連網照明套件和無線入門套件進行開發時,建議在開發網路中增加Silicon Labs的 RD-0002-0201 Zigbee USB虛擬閘道。該虛擬閘道包含一個Web伺服器,提供瀏覽桌面或移動Web瀏覽器的使用者介面,以便開發人員能夠通過智慧手機等移動設備全面測試系統的遠端控制。


所有Zigbee網路都必須包含一個扮演協調器角色,並允許對網路中的新設備進行調試的設備。出於開發目的,最好將閘道用作協調器。閘道的一項額外優勢是,它能用於借助.ota(over-the-air,空中傳輸)檔對連接照明套件進行重新程式設計。


此外,最好在開發網路中包含其他 Zigbee 設備,例如開關和更多的燈,以便測試和驗證它們在照明參考設計中的互通性(圖 5)。



圖5 : Silicon Labs的智慧照明開發設置允許開發人員快速著手開發Zigbee照明系統設計專案。(source:Silicon Labs)
圖5 : Silicon Labs的智慧照明開發設置允許開發人員快速著手開發Zigbee照明系統設計專案。(source:Silicon Labs)

將Silicon Labs的Simplicity Studio IoT開發軟體與基於Eclipse 4.5的整合式開發環境(IDE,例如 IAR Embedded Workbench)搭配使用,可以輕鬆為一個簡易系統構建應用軟體。


如要構建應用軟體,開發人員需遵從以下流程:


1. 安裝EmberZNet PRO堆疊


2. 在Simplicity Studio AppBuilder中創建新的應用框架配置,並選擇片上系統(SoC)堆疊版本


3. 使用連網照明套件附帶的Z3ColorControlLight樣例應用創建專案


4. 在AppBuilder的「hal configuration(hal配置)」選項卡下,確認無線微控制器的架構和標頭檔


5. 將專案檔案保存到目錄中


6. 使用Embedded Workbench或相容的IDE進行編譯,並對無線微控制器進行程式設計


完成程式設計後,可通過主機PC輕鬆配置連網照明套件,以開啟和關閉 LED,設置亮度、色調和色溫。


也可以使用照明參考設計作為商用照明專案的硬體基礎。此方法的一大優勢是,參考設計已預先進行Zigbee 3.0合規性測試,以及美國聯邦傳播委員會 (FCC)第15部分(排放)合規性和天線輻射模式測試。最終設計仍需進行完整的Zigbee和FCC認證,但預先測試有助於加快測試日程。


ZLL應用程式設計介面(API)

NXP Semiconductor還提供了開發工具,以支援其Zigbee無線收發器。該公司的Zigbee產品組合基於 JN5169 無線微控制器。該晶片專為基於ZLL固件規範以及家居自動化和智慧能源規範的IEEE 802.15.4/Zigbee PRO應用而設計。為簡化硬體設計,NXP提供了一個包括印刷電路板、無線微控制器、外設元件和天線在內的參考設計。


出於開發目的,該公司提供了 JN5169XK020UL 擴展套件。此開發工具構成了一個基於JN5169無線微控制器的Zigbee節點。該節點提供照明和感測器功能,可構成Zigbee無線網路的一部分。可通過Zigbee調試將該擴展套件添加到網路中。


針對固件開發、調試和測試,工程師需要為監控ZLL規範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堆疊搭配使用。


將NXP Zigbee PRO API與Jennic作業系統(JennicOS)以及ZLL和ZCL資源一起使用,可開發一個Zigbee PRO應用形式的ZLL應用。


NXP提供用於通過軟體發展套件(SDK)免費開發ZLL應用的固件。此SDK 以兩個安裝程式的方式提供。其中一個與家居自動化共用,並包含Zigbee PRO 堆疊和ZLL規範軟體(包括多個C API)。另一個是BeyondStudio,該安裝套裝程式含用於創建應用的工具鏈。其中包括用於NXP IDE的BeyondStudio、一個整合的JN51xx編譯器,以及一個JN516x快閃記憶體程式設計器。


ZLL應用的主要開發階段與任何Zigbee PRO應用相同,包括:


1. 使用合適的配置編輯器為節點配置Zigbee網路參數


2. 使用合適的配置編輯器配置供應用使用的JenOS資源


3. 使用Zigbee PRO API、JenOS API、ZLL API和ZCL為節點開發應用代碼


4. 使用合適的編譯器和連結器,為節點構建應用二進位檔案


5.使用合適的快閃記憶體程式設計器,將應用二進位檔案載入節點上的快閃記憶體


總結

智慧照明應用的擴張速度很快。儘管有多種無線技術可用於構建網路,但 Zigbee從一開始便專為居家和工業自動化應用而設計,這一傳統使之尤其適合智慧照明應用。ZLL照明固件規範簡化,並優化了智慧照明的無線連接。


如上所述,晶片供應商現在提供了多種開發工具,相對簡化了為照明應用構建基於ZLL的應用固件的過程。憑藉此類工具,即使非專家用戶也能充分利用 LED照明的環境、壽命和靈活性優勢。


(本文作者Rich Miron為Digi-Key Electronics應用工程師)


相關文章
智慧LED照明需要創新的管控和調光
智慧型照明已在商用市場逐漸普及
全球智慧照明政策與基礎建設的進展
智慧照明如何協助商業運作
智慧照明挾IoT技術進入日常的每一角
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新聞
» 「賣光不賣燈」創新光價值 昕諾飛新商業模式點亮花博
» 「第十八屆全國AOI論壇與展覽」宏瀨光電展先進液晶面板檢測設備
» TrendForce:第四季面板供過於求比例達4.3%全年最高 價格走勢添變數
» TT Electronics啟動48小時「快速報價計劃」
» 友達以8K4K高解析顯示器引領下世代影像市場
  相關產品
» TE推出高密度多功能加固型並行光纖收發器
» 歐司朗智慧植物照明解決方案支持NASA食品生產研究
» 安森美推出具近紅外線+的高解析度CMOS 提升夜視功能
» Molex推出以100G PAM-4為基礎的25G/50G/100G/400G解決方案
» Power Integrations無中性線的無線牆面開關適用於智慧居家照明控制

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2018 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw