ZigBee技术用于智能照明设计的解决方案

智能照明正在为消费者环境做出微小但重要的进展。今天的产品提供了一些关键优势;除了将LED的效率和寿命优势带入家庭之外，智能照明的无线连接还允许消费者通过智能手机上的触摸屏改变房间内的氛围，或通过远程激活系统确保房屋在到家时照亮。

但是，这只是一个开始。如今，无线连接带来了诸如已安装产品的无线功能升级和使用监控等优势，允许房主估算灯的剩余寿命;明天的无线连接将允许连接物联网（IoT），使智能灯能够改变自己的能耗模式，以减少电费。

几种无线技术的目标是智能照明领域包括Bluetooth®Smart（蓝牙技术的低能耗形式），Wi-Fi®和Z-Wave®。市场仍然支离破碎，但可以说，ZigBee®对家庭自动化领域的渗透以及照明巨头的支持飞利浦和欧司朗已经看到它早期领先。

本文将介绍LED飞利浦最近推出了“Hue”智能灯泡，并解释了设计师如何利用这些技术使自己的照明产品变得智能化。本文接着介绍了主要制造商为智能照明设计提供的一些ZigBee设计资源和开发工具，并对未来发展进行了一瞥。

使照明更加智能化

家庭自动化已经自20世纪20年代和30年代住宅的常规电气化以来，住宅建筑商一直梦想成为梦想，尽管由于基本的技术，实际的实施证明是困难的。然而，自20世纪80年代以来，当美国住宅建筑商协会首次提出“智能住宅”一词时，廉价可靠电子产品的推出加速了家庭自动化技术的发展。

智能照明是也许是家庭自动化领域的典型代表。它基于三种相对较新的电子技术的融合：固态照明（SSL），无线连接和可直接从主电源连接的LED电源。这些技术赋予智能照明以设计和操作灵活性，这在以前是传统照明不切实际的。图1显示了如何将这些技术结合在一个ilumi Smartbulb中，这是一种使用Nordic Semiconductor蓝牙智能无线连接的智能灯。

图1：智能灯泡，例如ilumi的蓝牙智能电源示例，将关键技术整合到标准照明外形中。

基于LED的SSL为智能灯带来长寿命和高效率，使照明工程师能够提供紧凑的灯具设计，并微调其产品的颜色，温度和亮度，以满足几乎所有消费者的口味。

大约十年前，无线连接首先被添加到灯光中，但是（有些缺乏想象力）仅限于通过用电磁灯替换灯开关和灯泡之间的物理连接来减少布线。然而，快速改进的RF技术已经看到成本暴跌，同时抗干扰性得到改善，带宽增加，功耗降低，现在看到强大的双向RF链路，使灯能够以一秒一次的方式发送有关其状态的信息并接收指令关于如何操作另一个。今天的无线连接是智能照明的“智能”，因为它将光线连接到强大的计算设备，如专有控制器，智能手机，平板电脑和PC。无线连接还允许连接到互联网（通过网关，网桥或集线器），使房主能够远程操作家庭照明。

飞利浦Hue是当代智能照明的领先示例（图2）。灯泡是A19外形的集成单元（包括电源，光引擎，光学器件和无线连接），带有E27（爱迪生）螺丝连接器。 Hue被设计为传统照明的“插入式”替代品，可在110/230 V下工作，全功率时功率为9 W，待机功耗为0.45 W.发光度范围从360到600流明，Hue可以再现2000到4000 K的相关色温（CCT），并提供（声称的）15,000小时的寿命。然而，并不是规范使Hue感兴趣，而是内部的技术。

图2：飞利浦Hue是一个360到600流明智能灯泡提供“数百万”的颜色。

Hue在SSL照明中相对不常见，因为它不使用最流行的制造白光的方法（将蓝色LED与钇铝石榴石结合使用（ YAG）荧光粉（参见TechZone文章“更白，更亮的LED”）。相反，它混合来自红色，绿色和蓝色（RGB）芯片的光（参见TechZone文章“通过添加 - 不减去颜色来创建白光”）产生白光和宽色域的其他颜色。

带有YAG荧光粉的蓝色LED因其具有更高的功效而更受欢迎。传统RGB LED光引擎的功效受到低功效的影响绿色LED。然而，飞利浦照明通过基于Hue灯具的绿色元素来解决这个问题来自Lumileds'Rebel ES家族的石灰绿色LED。

石灰绿色设备不是纯色LED，而是蓝色发光体和专有石灰荧光粉的组合，可克服效率问题绿色设备。根据Philips Lumileds的数据表，这种蓝色LED/绿色荧光粉组合在2.75 V的正向电压和350 mA的正向电流下的功效高达190 lm/W（参见TechZone文章“Lime-Green LED”）鼓励色彩可调 - 照明“）。

其他制造商提供适用于智能照明应用的RGB LED光引擎。主要供应商包括LED Engin和Parallax。

RGB LED光引擎相对于蓝色LED/YAG荧光粉组合的关键优势在于可以通过改变RGB LED输出的比率来改变其颜色。相比之下，一旦蓝色LED/YAG荧光粉设备出厂，其颜色就会固定。

消费者可以使用iOS或Android智能手机上的应用程序更改Hue的颜色。飞利浦宣称“数百万”的颜色是可能的，该应用程序还允许设置颜色配置文件，以适应不同的活动。例如，可以拨打白色，更亮的灯光以进行阅读，而具有蓝色色调的低水平灯光可以适合观看电影;或者灯光可以在一天结束时变暗并变成粉红色以引导人们睡觉。

基础技术基于Hue系统中的每个参数，通过来自中央集线器的唯一URL访问或桥。 Hue的无线连接由ZigBee提供（稍后将详细介绍）。 ZigBee在智能照明应用方面有许多优点，但缺点是缺乏与智能手机的互操作性（与蓝牙智能和Wi-Fi等竞争技术相比）。这意味着智能手机上的应用程序无法直接控制智能灯;相反，智能手机通过Wi-Fi与网桥通信，然后网桥将指令转换为ZigBee协议，以便将其传输到灯光。

开发人员可以使用Hue的应用程序编程接口（API）自定义灯光的行为。简单的说明包括将灯设置为“ON”或“OFF”，并将亮度更改为255个离散级别之一。可以使用更复杂的指令来设置颜色。一种方法是根据CIE色度图中的“xy”值设置颜色;第二种方法是改变饱和度和色调。通过调整沿普朗克轨迹的光的xy位置，也可以独立于颜色改变光的CCT（参见TechZone文章“如何使用CIE颜色空间来设计更好的LED”）。如果所选颜色或CCT在色调的色域之外，它将以最接近的颜色照亮。图3显示了CIE色彩空间中各种类型的Hue灯泡作为三角形的色域。

图3：飞利浦Hue智能灯可以再现任何颜色三角形内的颜色（取决于灯泡型号）。

无线技术的选择是智能灯项目成功的关键。飞利浦已经选择了低功耗射频标准ZigBee，这可能不足为奇，因为该公司是ZigBee联盟的成员，ZigBee联盟是ZigBee规范的保管人。欧司朗的LIGHTIFY™智能灯泡也支持这一标准。

根据该联盟的说法，ZigBee在家庭自动化应用中享有很大的市场份额。它是一种开放式标准，具有符合IEEE802.15.4规范（专为低数据速率无线个域网设计）的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）。虽然IEEE802.15.4也是其他低功耗无线技术的基础（例如，Thread和WirelessHART），但ZigBee标准的上层是该技术所独有的。

ZigBee工作在2.4 GHz免许可证工业，科学和医疗（ISM）部分无线电频谱（也可提供915和868 MHz版本），具有16个信道和扩频编码，以确保不受干扰在拥挤的2.4 GHz频段工作的其他无线电的干扰。原始的无线数据速率为每通道250 kbit/s，但由于数据包开销和处理延迟，实际数据吞吐量将小于最大指定比特率。室内范围可达20米。

ZigBee专注于家庭自动化，为照明应用提供了专用标准或“配置文件”。被称为ZigBee Light Link（ZLL）的标准1.0版已经批准，1.1版正在开发中。 ZLL是与主要照明制造商合作开发的。该联盟声称，ZLL不仅描述了用于照明控制的应用程序消息协议，还包括一种机制，使“开箱即用”调试就像按下按钮一样简单。 ZLL配置文件的一个关键原则是系统的操作直观且不比传统的有线照明系统复杂。 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安全网状网络 - 这是照明应用程序的关键要求，可以使数十个甚至数百个灯泡协调工作。

例如， Hue使用ZigBee的网状技术来确保组中的所有灯都充当信号中继器，这样整个组就可以作为单个实体运行，即使用户的智能手机超出其中一些范围也是如此。

< p>开发人员可以使用ZLL产品实现不同的颜色设置，调光级别和亮度，以及自定义设置，如“电影”或“睡眠”.ZLL的灵活性基于ZigBee集群库概念，它提供了一套应用程序级别，无线消息传递协议。 ZLL扩展了最适合智能照明的集群，并使用它们来定义一系列标准设备，设计人员可以在这些设备上建立商业解决方案。

作为开放标准，ZigBee可确保认证产品之间的互操作性。这种互操作性 - 以及多供应商供应链 - 使照明设计人员能够指定ZigBee芯片的安全性，因为他们可以为以后的产品更换供应商，并且仍然很有可能让新设备与传统照明设备进行通信。

根据ZigBee联盟，使用ZigBee标准的另一个好处是，ZLL设备还可以在网络级别与基于其他应用程序配置文件的设备（如家庭自动化（HA））互操作。据称，这允许最终用户将非照明设备集成为更广泛的智能家庭网络的一部分。 [1]

缓解无线开发

RF工程学是一项棘手的业务，特别是对于该领域的非专家，如照明开发人员。然而，虽然仍然不是微不足道的，但RF芯片供应商提供的工具和参考设计使得为产品添加无线连接变得更加容易。

例如，Silicon Labs为其提供了一个名为EM35X-DEV的开发套件。 EM357 ZigBee片上系统（SoC）。 EM357被公司推广为智能照明应用的良好解决方案（图4）。 EM357具有32位ARM ® Cortex ® -M3处理器，IEEE802.15.4无线电，128或192 kB闪存，12 kB RAM和AES128加密。当发射（TX）时接收（RX）31 mA时，无线电具有103 dB链路预算和26 mA的低功率操作。

图4：Silicon Labs的EM357 ZigBee SoC是智能照明应用的理想选择。

开发套件包括三个EM35x无线电控制模块和一组六个其他模块，数据仿真接口电缆，一个带四个POE端口的8端口交换机和InSight桌面软件。该套件还包括针对ARM的IAR Embedded Workbench的30天试用许可证，以简化嵌入式处理器上的应用程序代码开发。

Atmel 还提供名为ATSAMR21ZLL的ZLL开发套件 - EK用于SAM R21基于ARM的无线微控制器。该芯片基于32位ARM Cortex-M0 +处理器和集成的IEEE802.15.4无线电。 SAM R21器件采用32引脚和48引脚封装，具有高达256 kB的闪存和32 kB的SRAM。该无线电具有高达103 dB的链路预算，除了250 kbit/s的标准ZigBee原始数据速率外，还可支持500 kbit/s和1 Mb/s的数据速率。

该开发套件支持板载嵌入式调试器，天线分集，RGB LED，OLED显示器，操纵杆，用户LED，用户开关，Atmel Xplained Pro扩展接头，外部USB和UART接口。

Texas Instruments （TI）还提供符合ZLL标准的ZigBee SoC CC2531。该芯片具有8051微控制器，IEEE802.15.4无线电，128或256 kB闪存，8 kB RAM和AES128加密。当发射（TX）时接收（RX）29 mA时，收音机具有24 mA的低功率操作。使用OSRAMOSLON®SSLLED的彩色LED灯参考设计“CC2531 Zlight2参考设计”可在TI网站 [2] 上获得（图5）。

图5：TI为RGB LED供电灯提供参考设计。

驾驶智能灯

大多数现有LED照明设计有外部AC-DC转换器将电源电压降低到LED要求的低电压DC电压。然而，现代智能照明解决方案被设计成直接拧入由传统光线腾出的插座中，因此需要集成电源（或LED驱动器）。这是一个挑战，因为这种电源相对复杂（为传统产品中的每个白光LED驱动三个LED）;但是必须安装在非常热的LED附近的狭小空间内。

有许多商用芯片可供开发人员使用恩智浦，安森美半导体和TI等公司生产的智能LED驱动器。有关更多信息，请参阅Digi-Key文章库，其中包含指导设计师正确指导合适的集成智能灯驱动程序的资源。

今天的智能灯是令人印象深刻的产品，但仅限于开始划清可能的表面。他们的大部分手术仍然依赖于人为干预。明天将看到无线连接的灯直接与互联网通信 - 通过RF协议栈中的IPv6层等技术 - 并在新兴的物联网中占据适当位置。

直接与云通信在天空由于风暴而变暗之前，灯会亮起，调节它们的使用以利用能源供应商的可变关税，甚至在感觉到性能下降时订购自己的替代品。智能灯的未来非常光明。