【应用】ZigBee智能灯控系统设计应用（上）

什么是ZigBee？

ZigBee是一种成熟的无线通信协议，在智能灯控领域有着悠久的应用历史。

ZigBee本身是一种带有自愈功能的Mesh网络，在ZigBee网络中设备分为三种类型：协调器、路由器、终端节点。

协调器：建立ZigBee网络，管理路由器和终端节点接入网络，同时具备数据路由中继的功能。

路由器：可以辅助协调器维持已存在的ZigBee网络的设备连接，同时也具备数据路由中继的功能。路由器的路由中继功能可以帮助协调器扩大信号覆盖距离和范围。

终端节点：终端节点接入ZigBee网络后不能直接通信，需要协调器或者路由器作为父节点转发其数据收发。但是终端节点可以在连接状态下关闭无线收发电路，降低功耗。

在ZigBee的应用层协议即ZCL协议把若干种不同应用以“簇”进行了细分类，每个“簇”即一种应用规范，在一个簇规范中细分了设备控制端的行为和受控端的行为，包括控制端发出什么指令，受控端执行什么操作，受控端返回什么状态。通常一个ZigBee设备会同时支持多个簇规范，并且ZigBee设备又具备协调器、路由器、终端节点三种不同的角色。ZigBee设备通过对不同簇规范的排列组合和三种角色的排列组合，实现各种各样不同的设备功能。

灯控系统和智能灯控系统

在典型的灯控系统中，按照传统的架构，该系统共有两种设备：控制端设备和受控端设备。控制端设备就是开关，受控端就是灯。传统的灯控系统中，开关通过通断灯泡的供电的方式实现对灯的控制。这种应用方式只能控制灯的亮灭，对于亮度和色彩的控制很难实现，特别是现今的灯都是采用半导体照明技术的LED灯更无法通过通断供电电路的方式调节亮度和颜色。

在流行半导体照明的LED灯时代，智能灯控技术也开始普及。这类灯具通常基于会集成一个MCU用于控制LED。该类灯具在使用时会接在一个连通的供电电路上，使其有持续的供电。而灯具的控制端通常以无线遥控的方式对灯具进行控制，当然也有一些采用有线控制的协议如DALI总线或电力载波，采用有线控制的智能灯控系统需要解决控制信号线路和供电线路的兼容问题增加了施工难度，而无线灯控则不存在施工问题，因此主流智能灯控多采用无线控制的方式。

为什么ZigBee适合智能灯控系统？

由于ZigBee是Mesh结构的无线网络，在智能灯控系统中，受控端设备（灯泡）可以以路由器的角色实现，在智能灯控系统中通过增加灯泡数量来增加信号覆盖范围。特别是一些需要安装在信号死角盲区的灯具，可以通过路由器来解决盲区问题。

而ZCL协议针对每个应用簇都有完整的闭环控制机制，针对智能灯控ZCL协议定义了三个不同的应用簇规范，分别对应通断控制，亮度（级数）控制和颜色控制。在灯泡端可根据需要，选择性的支持这三种簇的排列组合，就能实现亮灭灯、调光灯、彩色灯三种不同的灯具，它们可以采用同一个控制端来控制。

ZigBee智能灯控系统中的控制端和受控端

之前提到了灯控系统必须具备两样设备——控制端和受控端，其实任何一种控制系统都是由控制端和受控端构成。在基于ZigBee的智能灯控系统中，受控端通常有2类设备，分别是独立的灯泡和带继电器的开关（俗称单控开关）。控制端通常有2类设备：分别是无线开关（俗称单控开关或灯控遥控器）和带APP的网关。在后续的介绍中，这4类设备分别叫做：灯泡、开关、遥控器、网关。

ZigBee灯泡的功能实现

在ZCL协议规范中，对于灯泡的功能有丰富成熟的ZCL协议插件可用。其中和灯泡相关的簇（cluster）主要有“ON_OFF”(cluster ID=0x0006)开关簇、”LEVEL” (cluster ID=0x0008)亮度簇、”LIGHTING_COLOR” (cluster ID=0x0300)灯控颜色簇。各个不同的簇下都有各自的控制指令（Specific Command）、以及表示当前状态的属性（Attribute）。

① ZigBee灯泡的开关控制功能实现

下面以开关簇作为示例讲解ZCL协议的闭环控制，根据ZCL协议规范开关簇的控制指令和属性如下表格所示：

开关簇的控制命令

开关簇的属性

当灯泡接收到关灯（off）、开灯（on）、切换（toggle）三种不同的控制命令时，灯泡需要执行对应的亮或灭的操作，同时开关状态（OnOff）这个属性设置成灯泡亮灭对应的值0或1。

ZCL属性可以被控制端设备读取（Read），也可以主动上报到控制端（Report）。如果需要主动上报灯泡开关状态，需要灯泡绑定控制端的MAC地址。通常灯泡在入网的时候协调器会自动设备灯泡绑定自己的MAC地址，这样无论是遥控器操作灯泡的开关或网关操作灯泡的开关，灯泡的开关状态都可以自动上传给网关。通过ZCL属性的机制，就实现了灯控系统的闭环控制。

② ZigBee灯泡的亮度控制功能实现

如果灯泡是可调光灯泡，则需要支持亮度簇，该簇定义的控制指令和属性如表格所示：

亮度簇的属性

亮度簇的控制命令

Move to Level命令：灯泡收到该命令后，在Transition时间（渐变时间）内把灯泡亮度输出到Level的对应值，并且同步属性CurrentLevel的值和收到命令的Level值相等。

Move to Level命令的参数

Move命令：灯泡收到该命令后根据Move mode升高（0）或降低（1）输出亮度，以Rate为亮度幅值每秒持续改变输出亮度直到最亮或最暗（熄灭）。灯泡每改变一次输出亮度就要同步到属性CurrentLevel上。

Move命令的参数

Step命令：灯泡收到该命令后根据Step mode升高（0）或降低（1）输出亮度，Step size为调节亮度的步进值，Transition time为亮度的渐变时间。

Step命令的参数

Stop命令：停止亮度变化，该命令无命令参数。

ZCL协议中定义的亮度簇的控制命令和属性，侧面反应了可调光灯的几个关键点：

亮度渐变控制：亮度簇的控制指令均涉及到亮度渐变的控制，亮度渐变也是智能灯控系统中对可调光灯的必备功能，也是ZigBee智能灯泡的关键指标。渐变效果做得不好的灯在渐变过程中会出现灯光抖动，或者出现爆闪现象，影响照明体验效果。通常的渐变方式为线性渐变，即亮度变化的幅度除以渐变时间得到单位时间周期的亮度改变值。单位时间越小越好，通常单位时间大于20ms时灯光渐变频率小于50Hz人眼能感受到灯光抖动，但是渐变频率达到100Hz时几乎感觉不到灯光抖动。

亮度等级划分：无论从控制命令的Level值还是属性CurrentLevel来看，ZigBee智能灯泡的亮度值的范围在0~255之间。但实际上智能灯泡控制亮度的PWM波的精细度必须小于1/255否则就会有抖动。因此在实现ZigBee调光灯时，单位时间内改变的并不是CurrentLevel的值而是PWM波的输出值，然后才让CurrentLevel值和PWM波输出值同步。假设PWM波的等级是1000级，PWM波变化2%的时候CurrentLevel值几乎不变。

CurrentLevel值主动上报：在ZCL协议中任何属性都可以设置为主动上报到绑定目标，其中在亮度簇中CurrentLevel值必须上报。通常默认CurrentLevel值有变化就要主动上报给网关。

③ ZigBee灯泡的颜色控制功能实现

灯控颜色簇定义的控制命令和属性如下表所示：

灯控颜色簇的属性

灯控颜色簇的控制命令

从灯控颜色簇的控制命令和属性可以看到，彩色灯泡的控制和状态反馈并不是直接控制RGB三路颜色的输出，而是采用XY轴色系坐标或HUE色相环的方式调节RGB三路颜色的比例，同时还要配合亮度簇中的CurrentLevel值来调节RGB三路颜色的整体输出。

另外从颜色簇的控制命令和属性看，还有一种特殊的颜色控制方式就是色温控制，相较于RGB灯，色温控制只需要控制冷暖两路光的PWM比例即可实现控制。ZCL协议灯控颜色簇的色温单位为麦尔德单位而非开尔文单位。

属性ColorMode和ColorCapabilities用于定义灯泡支持哪种调色方式，如XY轴色系调色，HUE色相环调色，色温调色。控制端可以从这两个属性来选择灯泡的调色指令。其中XY轴色系调试需要ZigBee SOC具备简单的浮点运算能力，而颜色输出的准确度也需要借助专业的仪器和色卡进行校对，同时影响灯泡颜色准确性的还有LED的个体差异。

模组选型推荐

①亮灭灯泡：

推荐E18系列模组，亮灭灯仅需要支持开关簇，仅需要支持GPIO高低电平输出，模组越便宜越好。

②可调光灯泡：

推荐E18系列模组，可调光灯在亮灭灯基础上增加了亮度簇和PWM输出，以CC2530芯片的硬件资源完全可以应付。

③彩色灯泡：

推荐E180-ZG120B模组或E180-Z5812系列模组，E180-ZG120B支持多路PWM，支持浮点运算，而且Silicon Labs的SDK中有对灯控颜色簇的完美支持，甚至有现成的颜色控制算法。而E180-Z5812有4路PWM输出，可以实现RGBW输出功能，即可以留一路PWM波作为白光补偿。但是E180-Z5812采用泰凌微8258芯片没有浮点单元和math函数库，色彩调节算法没有现成的资源可用。