智能照明集高能效 LED、可定制功能和低功耗無線技術優勢于一體，是一項正在快速增長的應用。但由于它的快速擴張，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，還要不斷縮短開發周期。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：

成熟的網狀網絡基礎

專為智能照明而優化的 Zigbee 光鏈路 （ZLL） 應用規范

設計工具支持使得該技術的實現相對簡單

廣泛的半導體供應商和照明制造商支持

本文將簡要介紹 Zigbee 無線技術及其在照明應用中的使用。之后，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松地建立無線照明網絡，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并支持瞬時開關，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。

通過在采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能照明應用。用戶可利用無線連接來遠程操作燈具，對照明進行細微的更改，例如使用智能手機、遙控器或語音命令改變房間內不同區域的光強度。

許多無線技術還支持網狀網絡，這不僅能擴大無線鏈路的有效范圍，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能照明應用的要求，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；足夠的帶寬；互操作性；多供應商支持和廣泛采用。（有關適合此應用的低功耗無線技術的更多信息，請參見 Digi-Key 文章“低功耗無線技術之比較”。）

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。這使得它的網狀網絡功能尤其易于設置和擴展。其次，該技術基于 IEEE 802.15.4 定義的物理層 （PHY） 和介質訪問控制 （MAC） 層，有望與其他同樣基于 PHY 和 MAC 層的家居自動化協議（例如 Thread）實現互操作（圖 1）。第三，Zigbee 已被 OSRAM 和 Philips 等多家大型照明制造商采用。

圖 1：Zigbee 堆?；?IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 層，有望與其他基于相同層的射頻協議實現互操作。（圖片來源：Zigbee 聯盟）

Zigbee 光鏈路

Zigbee 于 2013 年引入 ZLL，增強了其在照明應用中的適合性。ZLL 是一個 Zigbee 規范，位于 IEEE 802.15.4 PHY/MAC/Zigbee PRO 堆棧的應用層（圖 2）。

圖 2：Zigbee 光鏈路是 IEEE 802.15.4/Zigbee 堆棧應用層內的一個 Zigbee 規范。（圖片來源：NXP Semiconductors）

ZLL 采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界面，以及不同制造商產品之間的互操作性框架。

ZLL 系統由多個節點構成，例如開關、傳感器、遙控器，以及發送控制命令的智能手機。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 規范使用特定的群集，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 組 0x0004 場景 0x0005 開/關 0x0006 電平控制 0x0008 顏色控制 0x0300 ZLL ZLL 調試 0x1000

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

利用 ZLL 調試可以從頭創建 ZLL 網絡，或向現有的 ZLL 網絡添加新節點?？蓞f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。

群集軟件設備可供 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/關插件單元 0x0010 可調光燈 0x0100 可調光插件單元 0x0110 彩色燈 0x0200 擴展的彩色燈 0x0210 色溫燈 0x0220

表 2：群集軟件設備可供 ZLL 用于增加 Zigbee 照明網絡的功能。（表格來源：NXP Semiconductors）

ZLL 軟件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/關插件單元”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。

“可調光插件單元”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。此設備支持眾多顏色參數，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”設備所支持的顏色參數之外，還支持色溫。

“色溫燈”設備通常在包含可調節顏色（和亮度）并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件群集設備，構建能夠提供開關和調光之外其他功能的 ZLL 系統。例如，通過使用規范，開發人員可以構建支持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傳感器，設置燈在特定時間工作，以及在用戶遠離建筑物時通過符合 IP 規范的網關實現遠程控制。

ZLL 入門

得益于 Zigbee 芯片供應商提供的開發工具，使用 ZLL 的開發工作變得輕松多了。例如，Silicon Labs 提供了 RD-0085-0401 連接照明套件。該套件基于該公司的 EFR32MG1P732F256GM32 無線微控制器，并附帶預編程的 Zigbee Z3ColorControlLight 樣例應用程序。該套件由照明參考設計模塊和演示板構成（圖 3）。

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

Zigbee 應用源代碼位于該公司的 EmberZNet PRO 堆棧內，但開發人員必須先購買并注冊 Silicon Labs SLWSTK6000B 無線入門套件。

Zigbee 照明本身不能與 IP 設備或智能手機互操作，因此往往需要使用網關來橋接至基于 IP 的以太網或基于 Wi-Fi 的無線局域網 （WLAN），以及從網關橋接至云。

例如，在市場的消費產品端，照明制造商 OSRAM 推薦消費者使用其“Pro 網關”來鏈接其 LIGHTIFY （Zigbee） 照明組件，以便通過 PC 或移動設備進行調試和配置。該網關還支持用戶在離家后通過智能手機進行遠程控制。（圖 4）。

圖 4：Zigbee 照明系統需要在 Zigbee 和 IP 網絡（例如有線或無線 LAN 和互聯網）之間使用網關進行橋接，才能訪問云。（圖片來源：OSRAM）

使用連網照明套件和無線入門套件進行開發時，建議在開發網絡中增加 Silicon Labs 的 RD-0002-0201 Zigbee USB 虛擬網關。該虛擬網關包含一個 Web 服務器，提供訪問桌面或移動 Web 瀏覽器的用戶界面，以便開發人員能夠通過智能手機等移動設備全面測試系統的遠程控制。

所有 Zigbee 網絡都必須包含一個扮演協調器角色，并允許對網絡中的新設備進行調試的設備。出于開發目的，最好將網關用作協調器。網關的一項額外優勢是，它能用于借助 .ota（“over-the-air”，空中傳輸）文件對連接照明套件進行重新編程。

此外，最好在開發網絡中包含其他 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操作性（圖 5）。

圖 5：Silicon Labs 的智能照明開發設置允許開發人員快速著手開發 Zigbee 照明系統設計項目。（圖片來源：Silicon Labs）

將 Silicon Labs 的 Simplicity Studio IoT 開發軟件與基于 Eclipse 4.5 的集成開發環境（IDE，例如 IAR Embedded Workbench）搭配使用，可以輕松為一個簡易系統構建應用軟件。

如要構建應用軟件，開發人員需遵從以下流程：

安裝 EmberZNet PRO 堆棧

在 Simplicity Studio AppBuilder 中創建新的應用框架配置，并選擇片上系統 （SoC） 堆棧版本

使用連網照明套件附帶的 Z3ColorControlLight 樣例應用創建項目

在 AppBuilder 的“hal configuration（hal 配置）”選項卡下，確認無線微控制器的架構和頭文件

將項目文件保存到目錄中

使用 Embedded Workbench 或兼容的 IDE 進行編譯，并對無線微控制器進行編程

完成編程后，可通過主機 PC 輕松配置連網照明套件，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項目的硬件基礎。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，以及美國聯邦通信委員會 （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，但預先測試有助于加快測試日程。

ZLL 應用編程接口 （API）

NXP Semiconductor 還提供了開發工具，以支持其 Zigbee 無線收發器。該公司的 Zigbee 產品組合基于 JN5169 無線微控制器。該芯片專為基于 ZLL 固件規范以及家居自動化和智慧能源規范的 IEEE 802.15.4/Zigbee PRO 應用而設計。為簡化硬件設計，NXP 提供了一個包括印刷電路板、無線微控制器、外設組件和天線在內的參考設計。

出于開發目的，該公司提供了 JN5169XK020UL 擴展套件。此開發工具構成了一個基于 JN5169 無線微控制器的 Zigbee 節點。該節點提供照明和傳感器功能，可構成 Zigbee 無線網絡的一部分。可通過 Zigbee 調試將該擴展套件添加到網絡中。

針對固件開發、調試和測試，工程師需要為監控 ZLL 規范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 堆棧搭配使用。

將 NXP Zigbee PRO API 與 Jennic 操作系統 （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 提供用于通過軟件開發套件 （SDK） 免費開發 ZLL 應用的固件。此 SDK 以兩個安裝程序的方式提供。其中一個與家居自動化共用，并包含 Zigbee PRO 堆棧和 ZLL 規范軟件（包括多個 C API）。另一個是 BeyondStudio，該安裝程序包含用于創建應用的工具鏈。其中包括用于 NXP IDE 的 BeyondStudio、一個集成的 JN51xx 編譯器，以及一個 JN516x 閃存編程器。

ZLL 應用的主要開發階段與任何 Zigbee PRO 應用相同，包括：

使用合適的配置編輯器為節點配置 Zigbee 網絡參數

使用合適的配置編輯器配置供應用使用的 JenOS 資源

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

使用合適的編譯器和鏈接器為節點構建應用二進制文件

使用合適的閃存編程器，將應用二進制文件載入節點上的閃存

總結

智能照明應用的擴張速度很快。盡管有多種無線技術可用于構建網絡，但 Zigbee 從一開始便專為家居和工業自動化應用而設計，這一傳統使之尤其適合智能照明應用。ZLL 照明固件規范簡化并優化了智能照明的無線連接。

如上所述，芯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于 ZLL 的應用固件的過程。憑借此類工具，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。