家中的智能LED照明的控制策略和无线网络协议

通过切换到家庭中的LED照明可以实现节能是众所周知的。众所周知，与传统光源（如卤素灯和白炽灯）相比，低功率，高效率LED灯具可将功耗降低80％以上。不太了解的事实是，智能照明控制可以显着减少电费。通过传感器和无线网络实现的智能控制功能包括自动调光和关闭未占用房间的灯光。

智能照明控制市场越来越多地作为家庭自动化系统的一部分进行安装，被认为是更广泛的物联网（IoT）运动中的巨大机遇。然而，市场增长的关键是简单灵活的配置和安装，以及低成本和快速投资回报。

本文将考虑适用于国内应用的一些控制策略和无线网络协议，重点关注已建立的ZigBee Light Link的新替代方案。这些包括专有协议，如Thread和CSRmesh技术。

图1：使用Wi-Fi和ZigBee技术的典型智能家居照明系统，可改装使用无线技术，可通过智能手机或平板电脑控制。 （来源：ChipSip）

ZigBee的好处

多年来，ZigBee Light Link一直被认为是家庭智能照明的首选协议，并已开始积累相当大的优势安装基地。与家庭自动化的替代网络策略相比，ZigBee具有许多优势。它经过验证，得到了很好的支持，专门用于需要低延迟的低功耗传感和控制应用。重要的是，它旨在支持网状网络拓扑，允许控制器和节点之间的备用路由。这对于灵活且可扩展的系统（如家用照明）至关重要，该系统需要集中式，自动化和可编程控制，以及远程和手动“点”控制。

然而，随着物联网计划取得进展，基线正在发生变化。挑战集中在需要在物联网内连接的设备及其电源的多样性。一个关键因素是几乎无处不在地使用智能手机和平板电脑作为控制设备，以及需要通过Wi-Fi，IPv6或蓝牙进行连接。在这种情况下，ZigBee Light Link被认为不太能够利用3G和4G等高级通信网络。

因此，替代协议以及ZigBee 3.0的新版本正在出现。据称，这些新一代协议中的一些可以在物联网运动不断增长的需求中为照明控制提供更好的匹配，无论是对于家用还是工业/商业照明应用。

强线程

家庭网络领域强大的新竞争者是Thread，现在有超过160家公司支持，并由ARM，飞思卡尔，三星，谷歌（Nest）等巨头领导，最近，高通公司。该协议于7月正式启动，认证产品刚刚开始出现。

这种基于IEEE 802.15.4的无线网状网络协议栈支持多种基于IP的应用协议，包括6LowPAN或IPv6。 Thread的一个主要优势是可以安全连接到低功耗网状网络，并为每台设备提供直接互联网和云端访问。

Thread是一个自我修复的网状网络，可扩展到250多个设备，通过加密提供安全性;通过智能手机，平板电脑或电脑轻松连接;低功耗，包括对电池供电设备的支持。另一个优点是线程支持移动性，例如，如果物联网网络中的节点在房屋周围移动或移动，则内部网转发路径会自动且不断更新。

Thread不仅基于与ZigBee相同的协议，而且Thread Group还宣布与ZigBee联盟合作，使ZigBee Cluster Library能够在Thread网络上运行。虽然这两个组保持独立，但他们都认为提供应用程序级标准化的重要性。但是，Thread旨在支持许多不同的应用程序层协议。

现在想要了解更多有关Thread功能的开发人员可以投资Silicon Labs的EM35X网状网络开发套件。 Digi-Key提供30天许可证，EM35X-DEV或用于ARM的IAR嵌入式工作台EM35X-IAR的完整独立Cortex-M3许可证版本。在Silicon Labs在线注册该套件后，用户可以下载并安装Thread Networking Software Stack。 Silicon Labs网站上提供了大量在线培训模块。

Bluetooth Smart Mesh

显示出一些早期的承诺，但却对已建立的（网状网络）播放器产生了一些批评是CSRmesh，基于蓝牙，但添加了网状拓扑。 CSR推出，被视为Thread的竞争对手。然而，CSR最近被高通收购，这清楚地说明了有多少主要参与者支持多种明显竞争的协议。

CSR深入参与蓝牙智能网状工作组，该工作组预计将于今年晚些时候宣布其规范，以便在2016年正式采用原型设计。尽管当前的CSRmesh协议不太可能批量采用，可能需要稍后调整一些软件，CSR已经提供了一系列产品，包括RF收发器，接收器，子系统，天线和附件，以及评估和开发套件。生态系统也在增长，其他产品也来自许多第三方供应商。

蓝牙虽然是连接智能设备（包括可穿戴设备）的理想（和流行），但一般认为它不适用于照明控制或家庭自动化。它不仅主要设计为点对点电缆而非多点网络连接，而且还存在高开销和高延迟，缺乏范围和持久控制连接不良的问题。

然而，通过添加蓝牙智能网状连接，CSRmesh声称可以克服许多障碍，扩展蓝牙范围并实现与几乎无限数量设备的连接。值得注意的是，它主要针对照明应用以及家庭和楼宇自动化。

据称它易于安装，无需配对，并且不需要集线器或访问设备（如路由器）在本地运行。可以使用现有平板电脑或智能手机配置和控制节点。通过加密的网络密钥确保安全性，并且可以实施其他安全措施以防止窃听和攻击。

此外，CSRmesh旨在实现极低的功耗，使用短消息并准备在最低功耗的微控制器和无线网络芯片组上运行。它为“困”节点提供支持：电池供电和能量收集供电的设备可以与主电源代理设备组合在一起，以在不唤醒传感器的情况下中继信息。相同的技术还可以确保在没有中继的情况下RF无法到达的区域中的网络覆盖。

该技术有望吸引那些关注以照明为中心但范围更广的家庭自动化解决方案的开发人员。照明控制是主要目标，因为它被广泛认为是更广泛的家庭自动化系统的催化剂应用。出于这个原因，无线网络需要可扩展以覆盖其他应用，例如加热，空调，门锁和窗户传感器，具有不同的性能和功率要求。

分析CSRmesh的潜力以及它如何与Bluetooth Smart配合使用的一个很好的起点是开发板和套件。这些套件提供了一个简单的开发平台和快速原型设计解决方案。例如，DK-CSR1010-10184-1A CSRmesh开发套件包含三个目标板，USB-SPI编程器，连接电缆，电池和设置指南。可以使用支持Google Android和Apple iOS的智能手机示例主机应用程序和源代码。

图2：CSRmesh开发套件为使用蓝牙智能网格技术的照明控制提供了简单的介绍和快速原型设计解决方案。

开发板（DB-CSR1010-10185-1A）可以单独购买。该板基于CSR1010 IC，包含板天线，LED，按钮和滑动开关，电源开关，SPI编程连接器，电池座和将I/O连接到外部设备的焊盘。

ZigBee继续前进

与此同时，ZigBee正在向前发展，以应对物联网运动以及互连各种智能设备的需求，这些智能设备可以无缝互操作。预计即将批准的最新标准ZigBee 3.0基于ZigBee PRO。它统一了ZigBee家庭自动化，ZigBee Light Link，ZigBee楼宇自动化等。通过ZigBee Home Automation 1.2和ZigBee Light Link 1.0认证的终端设备将与ZigBee 3.0向前兼容。

ZigBee 3.0和Thread之间的差异化因素在于基于IP的消息传递。据说线程为IP提供本机支持，而ZigBee 3.0是“完全IP兼容”的，通过路由器，网关或机顶盒连接到互联网。线程网络中的所有设备都具有IPv6地址，可以由本地设备直接访问，并通过支持线程的IP路由器（称为边界路由器）进行外部连接。

互操作性是关键

总之，大多数权威人士都认为，单一网络协议不太可能适合复杂IoT应用中所有类型智能设备的互连。目前的想法是，同时需要Wi-Fi，网状网络和蓝牙技术。单个网络协议不太可能发展，这将充分支持所有应用程序，同时保持效率，即使它确实如此，也将普遍采用。

系统设计人员将在未来许多年内继续根据各个项目的约束和目标，评估各种选项和协议组合的优缺点。例如，节能照明可能需要支持能量收集节点的最低功率网状网络，但为了便于使用，需要通过智能手机或类似设备进行控制。

互操作性是关键。许多供应商现在正在为多种网络和通信协议提供支持这一事实有望确保不同技术之间的更大兼容性，确保开发人员的选择，而不会因标准的不确定性而对市场增长造成制约。