什么是ZigBee？

ZigBee是一種成熟的無線通信協(xié)議，在智能燈控領(lǐng)域有著悠久的應(yīng)用歷史。

ZigBee本身是一種帶有自愈功能的Mesh網(wǎng)絡(luò)，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備分為三種類型：協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)。

協(xié)調(diào)器：建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，管理路由器和終端節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具備數(shù)據(jù)路由中繼的功能。

路由器：可以輔助協(xié)調(diào)器維持已存在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備連接，同時(shí)也具備數(shù)據(jù)路由中繼的功能。路由器的路由中繼功能可以幫助協(xié)調(diào)器擴(kuò)大信號(hào)覆蓋距離和范圍。

終端節(jié)點(diǎn)：終端節(jié)點(diǎn)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后不能直接通信，需要協(xié)調(diào)器或者路由器作為父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)其數(shù)據(jù)收發(fā)。但是終端節(jié)點(diǎn)可以在連接狀態(tài)下關(guān)閉無線收發(fā)電路，降低功耗。

在ZigBee的應(yīng)用層協(xié)議即ZCL協(xié)議把若干種不同應(yīng)用以“簇”進(jìn)行了細(xì)分類，每個(gè)“簇”即一種應(yīng)用規(guī)范，在一個(gè)簇規(guī)范中細(xì)分了設(shè)備控制端的行為和受控端的行為，包括控制端發(fā)出什么指令，受控端執(zhí)行什么操作，受控端返回什么狀態(tài)。通常一個(gè)ZigBee設(shè)備會(huì)同時(shí)支持多個(gè)簇規(guī)范，并且ZigBee設(shè)備又具備協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)三種不同的角色。ZigBee設(shè)備通過對(duì)不同簇規(guī)范的排列組合和三種角色的排列組合，實(shí)現(xiàn)各種各樣不同的設(shè)備功能。

燈控系統(tǒng)和智能燈控系統(tǒng)

在典型的燈控系統(tǒng)中，按照傳統(tǒng)的架構(gòu)，該系統(tǒng)共有兩種設(shè)備：控制端設(shè)備和受控端設(shè)備。控制端設(shè)備就是開關(guān)，受控端就是燈。傳統(tǒng)的燈控系統(tǒng)中，開關(guān)通過通斷燈泡的供電的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)燈的控制。這種應(yīng)用方式只能控制燈的亮滅，對(duì)于亮度和色彩的控制很難實(shí)現(xiàn)，特別是現(xiàn)今的燈都是采用半導(dǎo)體照明技術(shù)的LED燈更無法通過通斷供電電路的方式調(diào)節(jié)亮度和顏色。

在流行半導(dǎo)體照明的LED燈時(shí)代，智能燈控技術(shù)也開始普及。這類燈具通常基于會(huì)集成一個(gè)MCU用于控制LED。該類燈具在使用時(shí)會(huì)接在一個(gè)連通的供電電路上，使其有持續(xù)的供電。而燈具的控制端通常以無線遙控的方式對(duì)燈具進(jìn)行控制，當(dāng)然也有一些采用有線控制的協(xié)議如DALI總線或電力載波，采用有線控制的智能燈控系統(tǒng)需要解決控制信號(hào)線路和供電線路的兼容問題增加了施工難度，而無線燈控則不存在施工問題，因此主流智能燈控多采用無線控制的方式。

為什么ZigBee適合智能燈控系統(tǒng)？

由于ZigBee是Mesh結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)，在智能燈控系統(tǒng)中，受控端設(shè)備（燈泡）可以以路由器的角色實(shí)現(xiàn)，在智能燈控系統(tǒng)中通過增加燈泡數(shù)量來增加信號(hào)覆蓋范圍。特別是一些需要安裝在信號(hào)死角盲區(qū)的燈具，可以通過路由器來解決盲區(qū)問題。

而ZCL協(xié)議針對(duì)每個(gè)應(yīng)用簇都有完整的閉環(huán)控制機(jī)制，針對(duì)智能燈控ZCL協(xié)議定義了三個(gè)不同的應(yīng)用簇規(guī)范，分別對(duì)應(yīng)通斷控制，亮度（級(jí)數(shù)）控制和顏色控制。在燈泡端可根據(jù)需要，選擇性的支持這三種簇的排列組合，就能實(shí)現(xiàn)亮滅燈、調(diào)光燈、彩色燈三種不同的燈具，它們可以采用同一個(gè)控制端來控制。

ZigBee智能燈控系統(tǒng)中的控制端和受控端

之前提到了燈控系統(tǒng)必須具備兩樣設(shè)備——控制端和受控端，其實(shí)任何一種控制系統(tǒng)都是由控制端和受控端構(gòu)成。在基于ZigBee的智能燈控系統(tǒng)中，受控端通常有2類設(shè)備，分別是獨(dú)立的燈泡和帶繼電器的開關(guān)（俗稱單控開關(guān)）。控制端通常有2類設(shè)備：分別是無線開關(guān)（俗稱單控開關(guān)或燈控遙控器）和帶APP的網(wǎng)關(guān)。在后續(xù)的介紹中，這4類設(shè)備分別叫做：燈泡、開關(guān)、遙控器、網(wǎng)關(guān)。

ZigBee燈泡的功能實(shí)現(xiàn)

在ZCL協(xié)議規(guī)范中，對(duì)于燈泡的功能有豐富成熟的ZCL協(xié)議插件可用。其中和燈泡相關(guān)的簇（cluster）主要有“ON_OFF”(cluster ID=0x0006)開關(guān)簇、”LEVEL” (cluster ID=0x0008)亮度簇、”LIGHTING_COLOR” (cluster ID=0x0300)燈控顏色簇。各個(gè)不同的簇下都有各自的控制指令（Specific Command）、以及表示當(dāng)前狀態(tài)的屬性（Attribute）。

① ZigBee燈泡的開關(guān)控制功能實(shí)現(xiàn)

下面以開關(guān)簇作為示例講解ZCL協(xié)議的閉環(huán)控制，根據(jù)ZCL協(xié)議規(guī)范開關(guān)簇的控制指令和屬性如下表格所示：

開關(guān)簇的控制命令

開關(guān)簇的屬性

當(dāng)燈泡接收到關(guān)燈（off）、開燈（on）、切換（toggle）三種不同的控制命令時(shí)，燈泡需要執(zhí)行對(duì)應(yīng)的亮或滅的操作，同時(shí)開關(guān)狀態(tài)（OnOff）這個(gè)屬性設(shè)置成燈泡亮滅對(duì)應(yīng)的值0或1。

ZCL屬性可以被控制端設(shè)備讀取（Read），也可以主動(dòng)上報(bào)到控制端（Report）。如果需要主動(dòng)上報(bào)燈泡開關(guān)狀態(tài)，需要燈泡綁定控制端的MAC地址。通常燈泡在入網(wǎng)的時(shí)候協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)設(shè)備燈泡綁定自己的MAC地址，這樣無論是遙控器操作燈泡的開關(guān)或網(wǎng)關(guān)操作燈泡的開關(guān)，燈泡的開關(guān)狀態(tài)都可以自動(dòng)上傳給網(wǎng)關(guān)。通過ZCL屬性的機(jī)制，就實(shí)現(xiàn)了燈控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

② ZigBee燈泡的亮度控制功能實(shí)現(xiàn)

如果燈泡是可調(diào)光燈泡，則需要支持亮度簇，該簇定義的控制指令和屬性如表格所示：

亮度簇的屬性

亮度簇的控制命令

Move to Level命令：燈泡收到該命令后，在Transition時(shí)間（漸變時(shí)間）內(nèi)把燈泡亮度輸出到Level的對(duì)應(yīng)值，并且同步屬性CurrentLevel的值和收到命令的Level值相等。

Move to Level命令的參數(shù)

Move命令：燈泡收到該命令后根據(jù)Move mode升高（0）或降低（1）輸出亮度，以Rate為亮度幅值每秒持續(xù)改變輸出亮度直到最亮或最暗（熄滅）。燈泡每改變一次輸出亮度就要同步到屬性CurrentLevel上。

Move命令的參數(shù)

Step命令：燈泡收到該命令后根據(jù)Step mode升高（0）或降低（1）輸出亮度，Step size為調(diào)節(jié)亮度的步進(jìn)值，Transition time為亮度的漸變時(shí)間。

Step命令的參數(shù)

Stop命令：停止亮度變化，該命令無命令參數(shù)。

ZCL協(xié)議中定義的亮度簇的控制命令和屬性，側(cè)面反應(yīng)了可調(diào)光燈的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：

亮度漸變控制：亮度簇的控制指令均涉及到亮度漸變的控制，亮度漸變也是智能燈控系統(tǒng)中對(duì)可調(diào)光燈的必備功能，也是ZigBee智能燈泡的關(guān)鍵指標(biāo)。漸變效果做得不好的燈在漸變過程中會(huì)出現(xiàn)燈光抖動(dòng)，或者出現(xiàn)爆閃現(xiàn)象，影響照明體驗(yàn)效果。通常的漸變方式為線性漸變，即亮度變化的幅度除以漸變時(shí)間得到單位時(shí)間周期的亮度改變值。單位時(shí)間越小越好，通常單位時(shí)間大于20ms時(shí)燈光漸變頻率小于50Hz人眼能感受到燈光抖動(dòng)，但是漸變頻率達(dá)到100Hz時(shí)幾乎感覺不到燈光抖動(dòng)。

亮度等級(jí)劃分：無論從控制命令的Level值還是屬性CurrentLevel來看，ZigBee智能燈泡的亮度值的范圍在0~255之間。但實(shí)際上智能燈泡控制亮度的PWM波的精細(xì)度必須小于1/255否則就會(huì)有抖動(dòng)。因此在實(shí)現(xiàn)ZigBee調(diào)光燈時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)改變的并不是CurrentLevel的值而是PWM波的輸出值，然后才讓CurrentLevel值和PWM波輸出值同步。假設(shè)PWM波的等級(jí)是1000級(jí)，PWM波變化2%的時(shí)候CurrentLevel值幾乎不變。

CurrentLevel值主動(dòng)上報(bào)：在ZCL協(xié)議中任何屬性都可以設(shè)置為主動(dòng)上報(bào)到綁定目標(biāo)，其中在亮度簇中CurrentLevel值必須上報(bào)。通常默認(rèn)CurrentLevel值有變化就要主動(dòng)上報(bào)給網(wǎng)關(guān)。

③ ZigBee燈泡的顏色控制功能實(shí)現(xiàn)

燈控顏色簇定義的控制命令和屬性如下表所示：

燈控顏色簇的屬性

燈控顏色簇的控制命令

從燈控顏色簇的控制命令和屬性可以看到，彩色燈泡的控制和狀態(tài)反饋并不是直接控制RGB三路顏色的輸出，而是采用XY軸色系坐標(biāo)或HUE色相環(huán)的方式調(diào)節(jié)RGB三路顏色的比例，同時(shí)還要配合亮度簇中的CurrentLevel值來調(diào)節(jié)RGB三路顏色的整體輸出。

另外從顏色簇的控制命令和屬性看，還有一種特殊的顏色控制方式就是色溫控制，相較于RGB燈，色溫控制只需要控制冷暖兩路光的PWM比例即可實(shí)現(xiàn)控制。ZCL協(xié)議燈控顏色簇的色溫單位為麥爾德單位而非開爾文單位。

屬性ColorMode和ColorCapabilities用于定義燈泡支持哪種調(diào)色方式，如XY軸色系調(diào)色，HUE色相環(huán)調(diào)色，色溫調(diào)色。控制端可以從這兩個(gè)屬性來選擇燈泡的調(diào)色指令。其中XY軸色系調(diào)試需要ZigBee SOC具備簡單的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，而顏色輸出的準(zhǔn)確度也需要借助專業(yè)的儀器和色卡進(jìn)行校對(duì)，同時(shí)影響燈泡顏色準(zhǔn)確性的還有LED的個(gè)體差異。

模組選型推薦

①亮滅燈泡：

推薦E18系列模組，亮滅燈僅需要支持開關(guān)簇，僅需要支持GPIO高低電平輸出，模組越便宜越好。

②可調(diào)光燈泡：

推薦E18系列模組，可調(diào)光燈在亮滅燈基礎(chǔ)上增加了亮度簇和PWM輸出，以CC2530芯片的硬件資源完全可以應(yīng)付。

③彩色燈泡：

推薦E180-ZG120B模組或E180-Z5812系列模組，E180-ZG120B支持多路PWM，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，而且Silicon Labs的SDK中有對(duì)燈控顏色簇的完美支持，甚至有現(xiàn)成的顏色控制算法。而E180-Z5812有4路PWM輸出，可以實(shí)現(xiàn)RGBW輸出功能，即可以留一路PWM波作為白光補(bǔ)償。但是E180-Z5812采用泰凌微8258芯片沒有浮點(diǎn)單元和math函數(shù)庫，色彩調(diào)節(jié)算法沒有現(xiàn)成的資源可用。