在設(shè)計(jì)智能LED照明系統(tǒng)時(shí)如何正確的選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

高功率 LED 照明在智能家居領(lǐng)域造就大量機(jī)會(huì)。 與鹵素?zé)襞莼騻鹘y(tǒng)白熾燈泡相比，LED 燈的使用壽命長(zhǎng)得多，功耗更低，并且有更豐富的顏色選擇。

LED 燈還實(shí)現(xiàn)了更高效的數(shù)字控制。 低成本的 LED 驅(qū)動(dòng)器可以調(diào)節(jié)燈光，甚至混合不同顏色， 因而在智能家居領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，所有燈具均可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到中央控制器。 這意味著不同房間的照明可以分別進(jìn)行優(yōu)化，甚至改為適應(yīng)室內(nèi)居者的偏好。

但這種功能也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：應(yīng)該使用哪種無(wú)線技術(shù)? 在 2.4 GHz 公共頻帶中運(yùn)行的多種不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)都可用于此類應(yīng)用。 這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不同的技術(shù)，從藍(lán)牙到 ZigBee 及其遠(yuǎn)程控制變型標(biāo)準(zhǔn) 6LoWPAN，再到 SmartMesh 和 Dust 等專有網(wǎng)絡(luò)。

與使用簡(jiǎn)單的調(diào)光器開關(guān)相比，為 LED 照明添加無(wú)線連接會(huì)提高復(fù)雜度和成本，但它能增加更多控制功能，其帶來(lái)的價(jià)值足以抵消這些缺陷。

對(duì)于無(wú)線控制器而言，功耗是一大問(wèn)題，主要是因?yàn)樾枰畲蟪潭鹊販p少多余發(fā)熱。 較高的溫度會(huì)縮短 LED 照明元件的使用壽命，且無(wú)線控制器可能需要更多的熱管理元件和更高的溫度額定值。 由于電路板空間一直是用戶關(guān)注的問(wèn)題，因此我們非常重視集成，以便最大程度地減少燈具裝置中除 LED 照明元件之外其它外部元器件的數(shù)量。另外，能夠直接連接到 LED 驅(qū)動(dòng)器也至關(guān)重要。

用戶需要混色等更高級(jí)應(yīng)用，也驅(qū)動(dòng)了對(duì)燈具裝置內(nèi)部微控制器需求的增長(zhǎng)。 如果能夠在處理無(wú)線連接的同一微控制器內(nèi)核上運(yùn)行照明系統(tǒng)控制軟件，則可降低燈具裝置設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。

藍(lán)牙

藍(lán)牙是為 LED 照明系統(tǒng)添加無(wú)線連接的一種方法，現(xiàn)在越來(lái)越常用。 這種方法可處理 LED 燈具裝置的無(wú)線連接，從集成 2.4 GHz 無(wú)線和藍(lán)牙協(xié)議棧的單個(gè)芯片來(lái)控制 LED 驅(qū)動(dòng)器。 此類器件包括 Dialog Semiconductor 提供的 DA14580，它集成了 ARM Cortex-M0 控制器內(nèi)核和藍(lán)牙前端收發(fā)器，并直接與天線連接，以最大程度降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，且采用了芯片級(jí)封裝。 該收發(fā)器完全符合藍(lán)牙 4.2 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)專用硬件實(shí)現(xiàn)鏈路層，它支持的智能藍(lán)牙固件包括 L2CAP 服務(wù)層協(xié)議、安全管理器 (SM)、屬性協(xié)議 (ATT)、通用屬性協(xié)議規(guī)范 (GATT) 和通用訪問(wèn)規(guī)范 (GAP)。 同樣，Nordic Semiconductor 提供的 NRF51822 也可用于智能藍(lán)牙鏈路。

藍(lán)牙的一大優(yōu)勢(shì)是它提供 1 MB/s 的較高數(shù)據(jù)速率，支持音頻等其它應(yīng)用。 為燈具裝置添加一個(gè)揚(yáng)聲器，播放來(lái)自任何房間內(nèi)智能手機(jī)的音樂(lè)，可以帶來(lái)附加價(jià)值。

DA14580 支持靈活的存儲(chǔ)器架構(gòu)，以存儲(chǔ)藍(lán)牙配置文件和自定義應(yīng)用代碼，這些代碼通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)度程序在 Cortex-M0 處理器上運(yùn)行。

藍(lán)牙面臨的挑戰(zhàn)之一是它的連接是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，因此一部智能手機(jī)僅連接到單個(gè)燈具裝置。 這種連接非常適用于集中式照明系統(tǒng)，但對(duì)于分布式照明系統(tǒng)，可能是一大挑戰(zhàn)。 藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟正在進(jìn)行開發(fā)工作，為藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)添加網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這種技術(shù)今后將能解決這個(gè)問(wèn)題。 它讓藍(lán)牙收發(fā)器能夠相互連接，將命令和數(shù)據(jù)傳遞到特定燈具裝置。

目前已經(jīng)有一些基于藍(lán)牙的專有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議問(wèn)世。 以 NRF51822 為例，它支持在嵌入式 Cortex-M0 處理器上運(yùn)行自定義代碼，將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和 2 MB/s 的數(shù)據(jù)速率。

ZigBee

在智能家居中，ZigBee 是為 LED 照明提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的另一種無(wú)線系統(tǒng)，它基于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)僅提供 250 Kb/s 的較低比特率，因而適用于低功耗實(shí)現(xiàn)，并且能夠?qū)?LED 燈具裝置相互連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)分布式控制。 這種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可使用一個(gè)像 Texas Instruments 的 CC2630 或 NXP 的 JN5169 這樣的控制器，作為家庭控制中心從 ZigBee 集線器來(lái)控制，它不僅可用于照明控制，還可用于傳感器和致動(dòng)器。

圖 1：ZigBee 聯(lián)盟定義了適用于 LED 照明的無(wú)線協(xié)議，與現(xiàn)有的 ZigBee 智能器件配合使用。

ZigBee 聯(lián)盟定義了專用于 LED 智能照明的無(wú)線協(xié)議，并有大型燈泡制造商作為堅(jiān)強(qiáng)后盾。 ZigBee 光鏈路為可互操作的、極易使用的消費(fèi)型照明和控制產(chǎn)品提供了全球標(biāo)準(zhǔn)。 它實(shí)現(xiàn)了對(duì)從燈泡和定時(shí)器到遙控器和開關(guān)的所有 LED 燈具裝置的無(wú)線控制。 該標(biāo)準(zhǔn)讓用戶能夠根據(jù)周邊環(huán)境、任務(wù)或季節(jié)遠(yuǎn)程改變照明，同時(shí)始終管理能源使用情況。 這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不需要任何特殊器件與照明網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)，會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，讓用戶能夠輕松添加和刪除產(chǎn)品。

由于光鏈路是一種 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)，因此照明產(chǎn)品將能與消費(fèi)者家中現(xiàn)有的使用其它 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品進(jìn)行互操作，包括 ZigBee 家庭自動(dòng)化、ZigBee 輸入設(shè)備、ZigBee 遠(yuǎn)程控制和 ZigBee 醫(yī)療保健產(chǎn)品。

圖 2：ZigBee 光鏈路協(xié)議棧。

這種技術(shù)的一個(gè)潛在缺陷是 ZigBee 無(wú)法在智能手機(jī)或平板電腦上實(shí)現(xiàn)，因而需要集線器來(lái)提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 但是，該集線器可通過(guò)藍(lán)牙從智能手機(jī)或平板電腦上的應(yīng)用程序輕松控制，以提供用戶界面。

SmartMesh 和 Dust

Dust 是面向 LED 照明的另一種協(xié)議。 與 ZigBee 相同，它也基于 802.15.4 物理層，但使用的是 6LoWPAN 協(xié)議。 它還需要集線器，以便與智能手機(jī)或平板電腦進(jìn)行通信。

SmartMesh IP 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種自我管理、低功耗互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建自稱作“塵埃”的無(wú)線節(jié)點(diǎn)。 例如，LTC 5800-IPM 使用了 Dust Networks 的高集成度、低功耗無(wú)線電設(shè)計(jì)，以及運(yùn)行 Dust 的嵌入式 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)軟件的 ARM Cortex-M3 微控制器。

該器件帶有片載功率放大器 (PA) 和收發(fā)器，因而僅需要電源去耦、晶體、天線以及匹配電路，即可構(gòu)建一個(gè)完整的無(wú)線節(jié)點(diǎn)。 使用 Dust 的時(shí)間同步型 SmartMesh IP 網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)中的所有塵埃都可以路由、搜尋或終止數(shù)據(jù)，且軟件通過(guò)軟件應(yīng)用編程接口 (API) 來(lái)配置。

圖 3：SmartMesh 方法基于 802.15.4 6LoWPAN 協(xié)議，允許使用低成本微控制器。

然后，收發(fā)器連接到一個(gè)低成本微控制器，其 DC-DC 輸出用于控制 LED 燈泡。 這樣燈泡開發(fā)人員就能夠選擇，針對(duì)從簡(jiǎn)單的調(diào)光到能夠發(fā)出不同顏色光線的特定 LED 照明設(shè)計(jì)而優(yōu)化的控制器。

結(jié)論

在智能家居領(lǐng)域，我們有很多不同的控制 LED 照明的選擇。 藍(lán)牙提供與智能手機(jī)和平板電腦的直接接口，但當(dāng)前缺少一種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，讓很多燈泡能夠連接在一起。 專有網(wǎng)狀協(xié)議能夠運(yùn)用到任何收發(fā)器上，但限制了 LED 燈泡的互操作性。 同樣，6LoWPAN 的 SmartMesh 實(shí)現(xiàn)具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，能夠靈活地使用不同的微控制器，但也會(huì)限制互操作性，而且需要集線器。

ZigBee 作為一種標(biāo)準(zhǔn)是適合各種各樣智能家居應(yīng)用的通用技術(shù)，它為 LED 照明提供了與其它 ZigBee 設(shè)備交互操作的專用規(guī)范。 集線器將 ZigBee 控制器和藍(lán)牙連接合二為一，讓用戶魚和熊掌兼得，且兼容最廣泛的無(wú)線技術(shù)。