智能照明正在為消費(fèi)者環(huán)境做出微小但重要的進(jìn)展。今天的產(chǎn)品提供了一些關(guān)鍵優(yōu)勢;除了將LED的效率和壽命優(yōu)勢帶入家庭之外，智能照明的無線連接還允許消費(fèi)者通過智能手機(jī)上的觸摸屏改變房間內(nèi)的氛圍，或通過遠(yuǎn)程激活系統(tǒng)確保房屋在到家時照亮。

但是，這只是一個開始。如今，無線連接帶來了諸如已安裝產(chǎn)品的無線功能升級和使用監(jiān)控等優(yōu)勢，允許房主估算燈的剩余壽命;明天的無線連接將允許連接物聯(lián)網(wǎng)（IoT），使智能燈能夠改變自己的能耗模式，以減少電費(fèi)。

幾種無線技術(shù)的目標(biāo)是智能照明領(lǐng)域包括Bluetooth?Smart（藍(lán)牙技術(shù)的低能耗形式），Wi-Fi?和Z-Wave?。市場仍然支離破碎，但可以說，ZigBee?對家庭自動化領(lǐng)域的滲透以及照明巨頭的支持飛利浦和歐司朗已經(jīng)看到它早期領(lǐng)先。

本文將介紹LED飛利浦最近推出了“Hue”智能燈泡，并解釋了設(shè)計(jì)師如何利用這些技術(shù)使自己的照明產(chǎn)品變得智能化。本文接著介紹了主要制造商為智能照明設(shè)計(jì)提供的一些ZigBee設(shè)計(jì)資源和開發(fā)工具，并對未來發(fā)展進(jìn)行了一瞥。

使照明更加智能化

家庭自動化已經(jīng)自20世紀(jì)20年代和30年代住宅的常規(guī)電氣化以來，住宅建筑商一直夢想成為夢想，盡管由于基本的技術(shù)，實(shí)際的實(shí)施證明是困難的。然而，自20世紀(jì)80年代以來，當(dāng)美國住宅建筑商協(xié)會首次提出“智能住宅”一詞時，廉價(jià)可靠電子產(chǎn)品的推出加速了家庭自動化技術(shù)的發(fā)展。

智能照明是也許是家庭自動化領(lǐng)域的典型代表。它基于三種相對較新的電子技術(shù)的融合：固態(tài)照明（SSL），無線連接和可直接從主電源連接的LED電源。這些技術(shù)賦予智能照明以設(shè)計(jì)和操作靈活性，這在以前是傳統(tǒng)照明不切實(shí)際的。圖1顯示了如何將這些技術(shù)結(jié)合在一個ilumi Smartbulb中，這是一種使用Nordic Semiconductor藍(lán)牙智能無線連接的智能燈。

圖1：智能燈泡，例如ilumi的藍(lán)牙智能電源示例，將關(guān)鍵技術(shù)整合到標(biāo)準(zhǔn)照明外形中。

基于LED的SSL為智能燈帶來長壽命和高效率，使照明工程師能夠提供緊湊的燈具設(shè)計(jì)，并微調(diào)其產(chǎn)品的顏色，溫度和亮度，以滿足幾乎所有消費(fèi)者的口味。

大約十年前，無線連接首先被添加到燈光中，但是（有些缺乏想象力）僅限于通過用電磁燈替換燈開關(guān)和燈泡之間的物理連接來減少布線。然而，快速改進(jìn)的RF技術(shù)已經(jīng)看到成本暴跌，同時抗干擾性得到改善，帶寬增加，功耗降低，現(xiàn)在看到強(qiáng)大的雙向RF鏈路，使燈能夠以一秒一次的方式發(fā)送有關(guān)其狀態(tài)的信息并接收指令關(guān)于如何操作另一個。今天的無線連接是智能照明的“智能”，因?yàn)樗鼘⒐饩€連接到強(qiáng)大的計(jì)算設(shè)備，如專有控制器，智能手機(jī)，平板電腦和PC。無線連接還允許連接到互聯(lián)網(wǎng)（通過網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)橋或集線器），使房主能夠遠(yuǎn)程操作家庭照明。

飛利浦Hue是當(dāng)代智能照明的領(lǐng)先示例（圖2）。燈泡是A19外形的集成單元（包括電源，光引擎，光學(xué)器件和無線連接），帶有E27（愛迪生）螺絲連接器。 Hue被設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)照明的“插入式”替代品，可在110/230 V下工作，全功率時功率為9 W，待機(jī)功耗為0.45 W.發(fā)光度范圍從360到600流明，Hue可以再現(xiàn)2000到4000 K的相關(guān)色溫（CCT），并提供（聲稱的）15,000小時的壽命。然而，并不是規(guī)范使Hue感興趣，而是內(nèi)部的技術(shù)。

圖2：飛利浦Hue是一個360到600流明智能燈泡提供“數(shù)百萬”的顏色。

Hue在SSL照明中相對不常見，因?yàn)樗皇褂米盍餍械闹圃彀坠獾姆椒ǎ▽⑺{(lán)色LED與釔鋁石榴石結(jié)合使用（ YAG）熒光粉（參見TechZone文章“更白，更亮的LED”）。相反，它混合來自紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）芯片的光（參見TechZone文章“通過添加 - 不減去顏色來創(chuàng)建白光”）產(chǎn)生白光和寬色域的其他顏色。

帶有YAG熒光粉的藍(lán)色LED因其具有更高的功效而更受歡迎。傳統(tǒng)RGB LED光引擎的功效受到低功效的影響綠色LED。然而，飛利浦照明通過基于Hue燈具的綠色元素來解決這個問題來自Lumileds'Rebel ES家族的石灰綠色LED。

石灰綠色設(shè)備不是純色LED，而是藍(lán)色發(fā)光體和專有石灰熒光粉的組合，可克服效率問題綠色設(shè)備。根據(jù)Philips Lumileds的數(shù)據(jù)表，這種藍(lán)色LED/綠色熒光粉組合在2.75 V的正向電壓和350 mA的正向電流下的功效高達(dá)190 lm/W（參見TechZone文章“Lime-Green LED”）鼓勵色彩可調(diào) - 照明“）。

其他制造商提供適用于智能照明應(yīng)用的RGB LED光引擎。主要供應(yīng)商包括LED Engin和Parallax。

RGB LED光引擎相對于藍(lán)色LED/YAG熒光粉組合的關(guān)鍵優(yōu)勢在于可以通過改變RGB LED輸出的比率來改變其顏色。相比之下，一旦藍(lán)色LED/YAG熒光粉設(shè)備出廠，其顏色就會固定。

消費(fèi)者可以使用iOS或Android智能手機(jī)上的應(yīng)用程序更改Hue的顏色。飛利浦宣稱“數(shù)百萬”的顏色是可能的，該應(yīng)用程序還允許設(shè)置顏色配置文件，以適應(yīng)不同的活動。例如，可以撥打白色，更亮的燈光以進(jìn)行閱讀，而具有藍(lán)色色調(diào)的低水平燈光可以適合觀看電影;或者燈光可以在一天結(jié)束時變暗并變成粉紅色以引導(dǎo)人們睡覺。

基礎(chǔ)技術(shù)基于Hue系統(tǒng)中的每個參數(shù)，通過來自中央集線器的唯一URL訪問或橋。 Hue的無線連接由ZigBee提供（稍后將詳細(xì)介紹）。 ZigBee在智能照明應(yīng)用方面有許多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是缺乏與智能手機(jī)的互操作性（與藍(lán)牙智能和Wi-Fi等競爭技術(shù)相比）。這意味著智能手機(jī)上的應(yīng)用程序無法直接控制智能燈;相反，智能手機(jī)通過Wi-Fi與網(wǎng)橋通信，然后網(wǎng)橋?qū)⒅噶钷D(zhuǎn)換為ZigBee協(xié)議，以便將其傳輸?shù)綗艄狻?/p>

開發(fā)人員可以使用Hue的應(yīng)用程序編程接口（API）自定義燈光的行為。簡單的說明包括將燈設(shè)置為“ON”或“OFF”，并將亮度更改為255個離散級別之一?？梢允褂酶鼜?fù)雜的指令來設(shè)置顏色。一種方法是根據(jù)CIE色度圖中的“xy”值設(shè)置顏色;第二種方法是改變飽和度和色調(diào)。通過調(diào)整沿普朗克軌跡的光的xy位置，也可以獨(dú)立于顏色改變光的CCT（參見TechZone文章“如何使用CIE顏色空間來設(shè)計(jì)更好的LED”）。如果所選顏色或CCT在色調(diào)的色域之外，它將以最接近的顏色照亮。圖3顯示了CIE色彩空間中各種類型的Hue燈泡作為三角形的色域。

圖3：飛利浦Hue智能燈可以再現(xiàn)任何顏色三角形內(nèi)的顏色（取決于燈泡型號）。

無線技術(shù)的選擇是智能燈項(xiàng)目成功的關(guān)鍵。飛利浦已經(jīng)選擇了低功耗射頻標(biāo)準(zhǔn)ZigBee，這可能不足為奇，因?yàn)樵摴臼荶igBee聯(lián)盟的成員，ZigBee聯(lián)盟是ZigBee規(guī)范的保管人。歐司朗的LIGHTIFY?智能燈泡也支持這一標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)該聯(lián)盟的說法，ZigBee在家庭自動化應(yīng)用中享有很大的市場份額。它是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)，具有符合IEEE802.15.4規(guī)范（專為低數(shù)據(jù)速率無線個域網(wǎng)設(shè)計(jì)）的物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）。雖然IEEE802.15.4也是其他低功耗無線技術(shù)的基礎(chǔ)（例如，Thread和WirelessHART），但ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的上層是該技術(shù)所獨(dú)有的。

ZigBee工作在2.4 GHz免許可證工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（ISM）部分無線電頻譜（也可提供915和868 MHz版本），具有16個信道和擴(kuò)頻編碼，以確保不受干擾在擁擠的2.4 GHz頻段工作的其他無線電的干擾。原始的無線數(shù)據(jù)速率為每通道250 kbit/s，但由于數(shù)據(jù)包開銷和處理延遲，實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量將小于最大指定比特率。室內(nèi)范圍可達(dá)20米。

ZigBee專注于家庭自動化，為照明應(yīng)用提供了專用標(biāo)準(zhǔn)或“配置文件”。被稱為ZigBee Light Link（ZLL）的標(biāo)準(zhǔn)1.0版已經(jīng)批準(zhǔn)，1.1版正在開發(fā)中。 ZLL是與主要照明制造商合作開發(fā)的。該聯(lián)盟聲稱，ZLL不僅描述了用于照明控制的應(yīng)用程序消息協(xié)議，還包括一種機(jī)制，使“開箱即用”調(diào)試就像按下按鈕一樣簡單。 ZLL配置文件的一個關(guān)鍵原則是系統(tǒng)的操作直觀且不比傳統(tǒng)的有線照明系統(tǒng)復(fù)雜。 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安全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) - 這是照明應(yīng)用程序的關(guān)鍵要求，可以使數(shù)十個甚至數(shù)百個燈泡協(xié)調(diào)工作。

例如， Hue使用ZigBee的網(wǎng)狀技術(shù)來確保組中的所有燈都充當(dāng)信號中繼器，這樣整個組就可以作為單個實(shí)體運(yùn)行，即使用戶的智能手機(jī)超出其中一些范圍也是如此。

< p>開發(fā)人員可以使用ZLL產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)不同的顏色設(shè)置，調(diào)光級別和亮度，以及自定義設(shè)置，如“電影”或“睡眠”.ZLL的靈活性基于ZigBee集群庫概念，它提供了一套應(yīng)用程序級別，無線消息傳遞協(xié)議。 ZLL擴(kuò)展了最適合智能照明的集群，并使用它們來定義一系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可以在這些設(shè)備上建立商業(yè)解決方案。

作為開放標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee可確保認(rèn)證產(chǎn)品之間的互操作性。這種互操作性 - 以及多供應(yīng)商供應(yīng)鏈 - 使照明設(shè)計(jì)人員能夠指定ZigBee芯片的安全性，因?yàn)樗麄兛梢詾橐院蟮漠a(chǎn)品更換供應(yīng)商，并且仍然很有可能讓新設(shè)備與傳統(tǒng)照明設(shè)備進(jìn)行通信。

根據(jù)ZigBee聯(lián)盟，使用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的另一個好處是，ZLL設(shè)備還可以在網(wǎng)絡(luò)級別與基于其他應(yīng)用程序配置文件的設(shè)備（如家庭自動化（HA））互操作。據(jù)稱，這允許最終用戶將非照明設(shè)備集成為更廣泛的智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一部分。 [1]

緩解無線開發(fā)

RF工程學(xué)是一項(xiàng)棘手的業(yè)務(wù)，特別是對于該領(lǐng)域的非專家，如照明開發(fā)人員。然而，雖然仍然不是微不足道的，但RF芯片供應(yīng)商提供的工具和參考設(shè)計(jì)使得為產(chǎn)品添加無線連接變得更加容易。

例如，Silicon Labs為其提供了一個名為EM35X-DEV的開發(fā)套件。 EM357 ZigBee片上系統(tǒng)（SoC）。 EM357被公司推廣為智能照明應(yīng)用的良好解決方案（圖4）。 EM357具有32位ARM ? Cortex ? -M3處理器，IEEE802.15.4無線電，128或192 kB閃存，12 kB RAM和AES128加密。當(dāng)發(fā)射（TX）時接收（RX）31 mA時，無線電具有103 dB鏈路預(yù)算和26 mA的低功率操作。

圖4：Silicon Labs的EM357 ZigBee SoC是智能照明應(yīng)用的理想選擇。

開發(fā)套件包括三個EM35x無線電控制模塊和一組六個其他模塊，數(shù)據(jù)仿真接口電纜，一個帶四個POE端口的8端口交換機(jī)和InSight桌面軟件。該套件還包括針對ARM的IAR Embedded Workbench的30天試用許可證，以簡化嵌入式處理器上的應(yīng)用程序代碼開發(fā)。

Atmel 還提供名為ATSAMR21ZLL的ZLL開發(fā)套件 - EK用于SAM R21基于ARM的無線微控制器。該芯片基于32位ARM Cortex-M0 +處理器和集成的IEEE802.15.4無線電。 SAM R21器件采用32引腳和48引腳封裝，具有高達(dá)256 kB的閃存和32 kB的SRAM。該無線電具有高達(dá)103 dB的鏈路預(yù)算，除了250 kbit/s的標(biāo)準(zhǔn)ZigBee原始數(shù)據(jù)速率外，還可支持500 kbit/s和1 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。

該開發(fā)套件支持板載嵌入式調(diào)試器，天線分集，RGB LED，OLED顯示器，操縱桿，用戶LED，用戶開關(guān)，Atmel Xplained Pro擴(kuò)展接頭，外部USB和UART接口。

Texas Instruments （TI）還提供符合ZLL標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee SoC CC2531。該芯片具有8051微控制器，IEEE802.15.4無線電，128或256 kB閃存，8 kB RAM和AES128加密。當(dāng)發(fā)射（TX）時接收（RX）29 mA時，收音機(jī)具有24 mA的低功率操作。使用OSRAMOSLON?SSLLED的彩色LED燈參考設(shè)計(jì)“CC2531 Zlight2參考設(shè)計(jì)”可在TI網(wǎng)站 [2] 上獲得（圖5）。

圖5：TI為RGB LED供電燈提供參考設(shè)計(jì)。

駕駛智能燈

大多數(shù)現(xiàn)有LED照明設(shè)計(jì)有外部AC-DC轉(zhuǎn)換器將電源電壓降低到LED要求的低電壓DC電壓。然而，現(xiàn)代智能照明解決方案被設(shè)計(jì)成直接擰入由傳統(tǒng)光線騰出的插座中，因此需要集成電源（或LED驅(qū)動器）。這是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@種電源相對復(fù)雜（為傳統(tǒng)產(chǎn)品中的每個白光LED驅(qū)動三個LED）;但是必須安裝在非常熱的LED附近的狹小空間內(nèi)。

有許多商用芯片可供開發(fā)人員使用恩智浦，安森美半導(dǎo)體和TI等公司生產(chǎn)的智能LED驅(qū)動器。有關(guān)更多信息，請參閱Digi-Key文章庫，其中包含指導(dǎo)設(shè)計(jì)師正確指導(dǎo)合適的集成智能燈驅(qū)動程序的資源。

今天的智能燈是令人印象深刻的產(chǎn)品，但僅限于開始劃清可能的表面。他們的大部分手術(shù)仍然依賴于人為干預(yù)。明天將看到無線連接的燈直接與互聯(lián)網(wǎng)通信 - 通過RF協(xié)議棧中的IPv6層等技術(shù) - 并在新興的物聯(lián)網(wǎng)中占據(jù)適當(dāng)位置。

直接與云通信在天空由于風(fēng)暴而變暗之前，燈會亮起，調(diào)節(jié)它們的使用以利用能源供應(yīng)商的可變關(guān)稅，甚至在感覺到性能下降時訂購自己的替代品。智能燈的未來非常光明。