【技术大神】基于Zigbee的协调器主机与LED照明终端设计

时间： 2017-02-14 来源：技术大神活动文章

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笔者曾经设计过ZigBee+wifi的网络架构的LED照明方案，采用的zigbee芯片是SILICON LABS的EM3587-RTR。在此和大家分享一下笔者设计的案例。

zigbee是基于IEEE 802.15.4的协议标准的无线通信方式。zigbee、bluetooth、wifi三种协议都有被应用于“智能家居”这个概念的产品中。其中各有各的优缺点。

1）zigbee功耗低，组网能力强，成本低，但是传输速率较慢，无法传输较大的数据流，并且目前的移动终端内还没有集成zigbee通信方式；

2）蓝牙传输稳定，但最大的问题还是在于通信的距离短；

3）wifi传输速度快，是目前最常用的无线连接方式，不过成本相对较高。

zigbee+wifi，LED照明无线通信新选择
综合以上三个原因，笔者采取方式zigbee+wifi的进行设计，方案为：wifi转串口（现成模块）+zigbee（协调器工作方式）作为主机。wifi工作在tcp服务器模式，负责接收手机发送出去的数据，通过串口与zigbee协调器通信，并且把数据包发给zigbee。作为协调器的zigbee在确认命令之后转发给作为终端的zigbee。调光芯片采用的是20W左右支持PWM输入的LED调光芯片，使用2-4片便能支持普通房间的照明。同时，zigbee方便自由增加节点，因此，这种“手机——主机——从机”的模式允许自由地增减照明终端，同样也能添加别的控制对象，如窗帘、门锁、音箱等，并且方便产品的升级与维护。只要对主机和APP进行升级即可，无须对每个子节点进行代码的升级。

数据流（双向）：手机（通过家用路由器）<->主机（包含wifi转串口模块，zigBee协调器）<->zigBee终端。

图1：无线控制主机与无线LED照明终端结构示意图

在选择zigbee芯片的时候，除了EM3587之外，笔者也考虑过其它家的芯片，分别是TI和NXP的。TI的MCU内核为增强型8051，考虑升级换代以及代码量的问题，首先就被笔者排除了。Silicon Labs和NXP均采用ARM Cortex-M3内核，因此各方面均比8051强悍。在对比了以下几个因素：flash/ram/灵敏度/功耗/价格之后，笔者果断选择了EM3587用来做样机。由于代码量无需大内存，后期批量考虑到成本，项目经理让我把主机和调光终端换成了EM3581。EM358x系列的产品架构都一样，最后一位表示不同的ram和flash以及是否包含一个USB外设。

基于EM3587（EM3581）的方案原理图设计
在进行研发设计的时候，笔者注意到它的Datasheet上有参考原理图：

图2：EM3587芯片外围电路图

笔者便借助参考电路设计出了主机与照明终端：
主机9V供电，用一片DC-DC电源芯片转成3.3V。主机除了EM3587（EM3581）的外围电路之外还包含了一个现成的的wifi模块，模块通过串口与EM3587（EM3581）通信；一块SD卡，通过单线SPI方式与EM3587（EM3581）通信。

照明终端供电采用交流220V转直流20V的反激电源供电，直流20V作为LED驱动芯片的电源，20V通过DC-DC变换到3.3V给EM3587（EM3581）芯片供电。EM3587（EM3581）芯片最多可以引出4路PWM驱动4块调光芯片。

对于图2，EM3587（EM3581）的外围电路而言，除了本身不带USB之外，去掉了外接的8M flash（替换方案为带SPI单线接口的SD卡），去掉了那颗32.768khz的晶振，笔者只保留了天线的电路、24Mhz晶振以及调试接口。

从软件的角度考虑，这样做有两点好处：首先，SD卡用来获取主机记录的数据（维修调试时候用），由于在主机上zigbee可以和wifi模块交互，因此实际的时间可以从网络端获取，并且每隔一段时间将正确时间发送到每个终端上面，主机和终端本身无需额外的准确的晶振作为RTC的时钟源。另外，LED照明终端无需自己存储数据，只要在每次正确返回主机命令的返回值之后，由主机自行记录行为动作，记录和采集的用户数据（开关灯时间、调光的亮度）均存放于SD卡内（同时能上传至服务器后台）。

以上便是笔者的设计方案，若大家有更好的方案或者构思，欢迎一起讨论。

作者：坚栋

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