在设计智能LED照明系统时如何正确的选择无线网络

高功率 LED 照明在智能家居领域造就大量机会。 与卤素灯泡或传统白炽灯泡相比，LED 灯的使用寿命长得多，功耗更低，并且有更丰富的颜色选择。

LED 灯还实现了更高效的数字控制。 低成本的 LED 驱动器可以调节灯光，甚至混合不同颜色， 因而在智能家居领域得以广泛应用，所有灯具均可通过无线网络连接到中央控制器。 这意味着不同房间的照明可以分别进行优化，甚至改为适应室内居者的偏好。

但这种功能也带来一个问题：应该使用哪种无线技术？ 在 2.4 GHz 公共频带中运行的多种不同无线网络都可用于此类应用。 这些无线网络覆盖不同的技术，从蓝牙到 ZigBee 及其远程控制变型标准 6LoWPAN，再到 SmartMesh 和 Dust 等专有网络。

与使用简单的调光器开关相比，为 LED 照明添加无线连接会提高复杂度和成本，但它能增加更多控制功能，其带来的价值足以抵消这些缺陷。

对于无线控制器而言，功耗是一大问题，主要是因为需要最大程度地减少多余发热。 较高的温度会缩短 LED 照明元件的使用寿命，且无线控制器可能需要更多的热管理元件和更高的温度额定值。 由于电路板空间一直是用户关注的问题，因此我们非常重视集成，以便最大程度地减少灯具装置中除 LED 照明元件之外其它外部元器件的数量。另外，能够直接连接到 LED 驱动器也至关重要。

用户需要混色等更高级应用，也驱动了对灯具装置内部微控制器需求的增长。 如果能够在处理无线连接的同一微控制器内核上运行照明系统控制软件，则可降低灯具装置设计的成本和复杂性。

蓝牙

蓝牙是为 LED 照明系统添加无线连接的一种方法，现在越来越常用。 这种方法可处理 LED 灯具装置的无线连接，从集成 2.4 GHz 无线和蓝牙协议栈的单个芯片来控制 LED 驱动器。 此类器件包括 Dialog Semiconductor 提供的 DA14580，它集成了 ARM Cortex-M0 控制器内核和蓝牙前端收发器，并直接与天线连接，以最大程度降低设计复杂度，且采用了芯片级封装。 该收发器完全符合蓝牙 4.2 标准，通过专用硬件实现链路层，它支持的智能蓝牙固件包括 L2CAP 服务层协议、安全管理器 (SM)、属性协议 (ATT)、通用属性协议规范 (GATT) 和通用访问规范 (GAP)。 同样，Nordic Semiconductor 提供的 NRF51822 也可用于智能蓝牙链路。

蓝牙的一大优势是它提供 1 MB/s 的较高数据速率，支持音频等其它应用。 为灯具装置添加一个扬声器，播放来自任何房间内智能手机的音乐，可以带来附加价值。

DA14580 支持灵活的存储器架构，以存储蓝牙配置文件和自定义应用代码，这些代码通过简单调度程序在 Cortex-M0 处理器上运行。

蓝牙面临的挑战之一是它的连接是点对点的，因此一部智能手机仅连接到单个灯具装置。 这种连接非常适用于集中式照明系统，但对于分布式照明系统，可能是一大挑战。 蓝牙技术联盟正在进行开发工作，为蓝牙标准添加网状网络，这种技术今后将能解决这个问题。 它让蓝牙收发器能够相互连接，将命令和数据传递到特定灯具装置。

目前已经有一些基于蓝牙的专有网状网络软件协议问世。 以 NRF51822 为例，它支持在嵌入式 Cortex-M0 处理器上运行自定义代码，将实现网状网络和 2 MB/s 的数据速率。

ZigBee

在智能家居中，ZigBee 是为 LED 照明提供网状网络的另一种无线系统，它基于 802.15.4 标准。 这个标准仅提供 250 Kb/s 的较低比特率，因而适用于低功耗实现，并且能够将 LED 灯具装置相互连接在一起，从而实现分布式控制。 这种网状网络可使用一个像 Texas Instruments 的 CC2630 或 NXP 的 JN5169 这样的控制器，作为家庭控制中心从 ZigBee 集线器来控制，它不仅可用于照明控制，还可用于传感器和致动器。

图 1：ZigBee 联盟定义了适用于 LED 照明的无线协议，与现有的 ZigBee 智能器件配合使用。

ZigBee 联盟定义了专用于 LED 智能照明的无线协议，并有大型灯泡制造商作为坚强后盾。 ZigBee 光链路为可互操作的、极易使用的消费型照明和控制产品提供了全球标准。 它实现了对从灯泡和定时器到遥控器和开关的所有 LED 灯具装置的无线控制。 该标准让用户能够根据周边环境、任务或季节远程改变照明，同时始终管理能源使用情况。 这项标准不需要任何特殊器件与照明网络进行协调，会自动加入网状网络协议，让用户能够轻松添加和删除产品。

由于光链路是一种 ZigBee 标准，因此照明产品将能与消费者家中现有的使用其它 ZigBee 标准的产品进行互操作，包括 ZigBee 家庭自动化、ZigBee 输入设备、ZigBee 远程控制和 ZigBee 医疗保健产品。

图 2：ZigBee 光链路协议栈。

这种技术的一个潜在缺陷是 ZigBee 无法在智能手机或平板电脑上实现，因而需要集线器来提供网状网络。 但是，该集线器可通过蓝牙从智能手机或平板电脑上的应用程序轻松控制，以提供用户界面。

SmartMesh 和 Dust

Dust 是面向 LED 照明的另一种协议。 与 ZigBee 相同，它也基于 802.15.4 物理层，但使用的是 6LoWPAN 协议。 它还需要集线器，以便与智能手机或平板电脑进行通信。

SmartMesh IP 无线网络是一种自我管理、低功耗互联网协议 (IP) 网络，构建自称作“尘埃”的无线节点。 例如，LTC 5800-IPM 使用了 Dust Networks 的高集成度、低功耗无线电设计，以及运行 Dust 的嵌入式 SmartMesh IP 网络软件的 ARM Cortex-M3 微控制器。

该器件带有片载功率放大器 (PA) 和收发器，因而仅需要电源去耦、晶体、天线以及匹配电路，即可构建一个完整的无线节点。 使用 Dust 的时间同步型 SmartMesh IP 网络后，网络中的所有尘埃都可以路由、搜寻或终止数据，且软件通过软件应用编程接口 (API) 来配置。

图 3：SmartMesh 方法基于 802.15.4 6LoWPAN 协议，允许使用低成本微控制器。

然后，收发器连接到一个低成本微控制器，其 DC-DC 输出用于控制 LED 灯泡。 这样灯泡开发人员就能够选择，针对从简单的调光到能够发出不同颜色光线的特定 LED 照明设计而优化的控制器。

结论

在智能家居领域，我们有很多不同的控制 LED 照明的选择。 蓝牙提供与智能手机和平板电脑的直接接口，但当前缺少一种标准来实现网状网络，让很多灯泡能够连接在一起。 专有网状协议能够运用到任何收发器上，但限制了 LED 灯泡的互操作性。 同样，6LoWPAN 的 SmartMesh 实现具有低功耗的优点，能够灵活地使用不同的微控制器，但也会限制互操作性，而且需要集线器。

ZigBee 作为一种标准是适合各种各样智能家居应用的通用技术，它为 LED 照明提供了与其它 ZigBee 设备交互操作的专用规范。 集线器将 ZigBee 控制器和蓝牙连接合二为一，让用户鱼和熊掌兼得，且兼容最广泛的无线技术。