室內照明用ZLL燈控系統的設計與應用

曹簫洪，朱 曉

(1.上海飛樂音響股份有限公司，上海 201801；2.上海亞明照明有限公司，上海 201801 )

引言

近年來，ZigBee無線通信技術在智能照明中的應用范圍在不斷地拓展[1-3]。Zigbee聯盟在Zigbee協議棧應用層上推出了照明控制開放標準——ZigBee Light Link(簡稱ZLL)[4-5]，是為了實現易安裝、低成本和互操作。基于ZLL標準，燈控系統開發商可以開發出ZLL燈具(或ZLL單燈控制器)、ZLL遙控器(或ZLL面板開關)、ZLL傳感器、ZLL網關等系列產品，以滿足不同的應用需要。并且，來自不同開發商的ZLL產品之間可以互操作[6]，這有利于ZLL燈控產品的推廣，是辦公照明控制和會議照明控制的理想選擇。為了不同的應用需要和不同的燈控方式，ZLL系列產品可工作于現場控方式和遠程控方式。在ZLL系統的現場控中，主要有兩種操控手段，即智能手機和ZLL遙控器。基于ZLL網關、智能手機和APP的現場燈控方式，有可視化的便利，在ZLL系統初裝配置時很直觀，但采用手機來操控照明，不符合人們日常的燈控習慣，接受度低。而基于ZLL遙控器的現場控制，方便快捷，符合人們日常燈控習慣。要采用ZLL遙控器來控制現場的ZLL燈具，則該遙控器應具備4大類基本的功能，即ZLL網絡發起及添加ZLL燈具入網、ZLL燈具的光輸出控制、ZLL燈具的組景控制、ZLL遙控器的克隆。

本文重點分析ZLL遙控器在開發和應用上面4大類基本功能中所遇到的主要問題，分析問題產生的原因，并提出有效的對策來解決這些問題。

1 ZLL燈控系統的設計對策

技術人員在開發ZLL遙控器的過程中，用戶在使用ZLL燈控系統的體驗中，會碰到若干問題，譬如：添加燈具時易時難、遙控器克隆成功率易被干擾、控制失效等問題。ZLL遙控器硬件線路很簡單，所以在遙控器的實際應用中，如果不能穩定地實現上面所描述的4大類功能，在排除ZLL燈具問題的前提下，問題源頭可以歸結為兩個：遙控器ZigBee模塊中的固件漏洞；遙控器操作不當。下面將重點分析這些問題的可能原因給出相應的對策。

1.1 ZLL燈具添加的問題及對策

利用射頻信號嗅探器，并結合Ubiqua協議分析軟件界面[7]，可以抓取并分析空中交互的數據報文，以測試ZLL遙控器和ZLL燈具之間的通信過程，這是了解ZLL網絡發起、燈具入網、燈具應用配置和控制中信號交互的簡易方法。根據ZLL標準，ZLL遙控器采用觸聯(Touch-Link:TL)的方法來發起ZLL網絡和添加ZLL燈具，圖1給出觸聯添燈組網期間，無線信號交互過程示意圖。

圖1 觸聯期間無線通信交互過程Fig.1 Wireless communication interaction process in TL

觸聯方法基本過程是這樣的：ZLL遙控器以廣播方式發出要求搜索ZLL燈具的指令，現場ZLL燈具以單播方式應答搜索；按照一定的決策算法，遙控器以單播方式向應答燈具中的燈具K發出確認要求(燈具K可以用閃爍一次來應答)；遙控器以單播方式向燈具K發出入網要求(或同時發起新網絡)，燈具K以單播方式向遙控器發出入網響應；燈具K以廣播方式宣布自己已入網。

圖1顯示出，ZLL遙控器和ZLL燈具之間，在觸聯過程中的通信方式，類似于打乒乓球的一來一回，每個來回中的通信中斷，就是ZLL燈具添加過程所遇問題的根本原因，而大部分問題都發生在“搜索響應”和“燈具K識別請求(單播)、燈具閃爍一次來應答”這兩個通信階段。

1)ZLL燈具不能被ZLL遙控器添加入網之原因及對策。

(a)燈具和遙控器之間無互操作性：分析空中數據報文，在發生這個問題時，雖然遙控器發出了搜索請求，但燈具不會應答，或者燈具應答后遙控器不再發出識別請求。目前，市場上或開發中的ZLL產品，主要是基于幾個主流ZigBee芯片及其協議棧來開發的，譬如TI、Silicon Labs、Atmel、Freescale和NXP，要保證相互之間的互操作性，推薦2個對策：不同供貨商的ZLL產品，都有授權的master key；不同供貨商ZLL產品，若都沒有作ZLL標準認證，則至少要保證各自產品的ZLL協議棧中缺省的master key完全相同。

(b)燈具和遙控器的空間距離與兩者固件中設定的RSSI(接收的信號強度)數值設置不匹配：在固件協議棧中，RSSI數值和觸聯距離間有一定的對應關系，如RSSI=-40 dBm，則觸聯距離需控制在10 cm以內；RSSI=-60 dBm，則觸聯距離需控制在2 m以內；RSSI=-90 dBm，則在10 m開外都能成功觸聯。ZLL標準規定，觸聯距離應該控制在2 m內。但是，在有些照明場合，譬如吊頂高于4 m的中型會議廳，若采用ZLL燈控系統，則2 m觸聯距離要求會導致該場合下燈具添加困難。在報文分析中，具體表現為遙控器發出了搜索請求后，沒有燈具會發出搜索應答。燈控產品的市場化有2條途徑，即流通渠道和工程渠道。在工程渠道中，燈控產品供貨商是清楚工程現場的使用環境的。在ZLL燈控系統推廣的工程渠道中，為吊頂很高的中型會議廳安裝ZLL燈控系統，且無需登梯來操作觸聯功能，采用RSSI=-90 dBm的設置是個明智的對策。產品通信協議的標準化和工程適用化要兼顧，并且在只修改RSSI數值的情況下，是不會影響ZLL產品間互操作性的。

(c)信道干擾：在2.4 GHz頻段上，為了盡量避開WiFi的干擾，基于ZLL標準而開發的產品會優選工作在11、15、20和25等4個信道。即便如此，分屬不同個域網的ZLL系統之間也可能會發生信道干擾，尤其是影響觸聯過程。譬如：在照明現場，屬于PanID_A內的ZLL網關在附近工作，會干擾PanID_B內的觸聯加燈過程。為了避免這個問題，簡單的對策是：PanID_B內執行觸聯操作時，暫時關閉PanID_A內的ZLL網關的工作；等PanID_B內的所有觸聯操作都完成后，再恢復PanID_A內ZLL網關的工作。

2)重復觸聯問題及單次觸聯策略。圖1表明，觸聯加燈過程是這樣的：遙控器發出搜索請求，燈具響應這個請求，且收到識別請求的燈具閃爍應答，之后再應答ZLL網絡加入指令。當照明現場只有一盞ZLL燈具時，這個過程是很順暢的。但是，當照明現場有多盞ZLL燈具時(譬如100盞)，觸聯加燈過程會碰到一個棘手的“重復觸聯”問題，那就是：部分ZLL燈具會重復地被觸聯，而其它許多燈具根本不能獲得觸聯添加的機會。

導致重復觸聯問題的原因是：在觸聯期間，當多盞燈具發出搜索應答時，遙控器是基于LQI(鏈接質量指示)指標來選擇被添加燈具的(譬如CC2530的ZLL協議棧)，包含4個步驟：①遙控器請求搜索現場ZLL燈具；②現場多個ZLL燈具應答；③應答燈具和遙控器間的LQI指標對比；④具有最強LQI的ZLL燈具收到識別請求并被添加。由于燈具和遙控器之間無線通信LQI數值大小不一，所以觸聯添加機會總是被具有最強LQI的燈具不停地搶占，導致具有較弱或最弱LQI的燈具的觸聯添加過程困難。實驗結果：在一個較大照明現場，安裝了100盞ZLL燈具，燈具離地面4 m以上。站在地面上，用ZLL遙控器(RSSI=-90 dBm)執行觸聯操作，執行了300次以上，仍然有大量燈具添加不成功。

同一個ZLL網絡中的ZLL設備具有相同的網絡標識符PanID，而尚沒有被添加到本網絡內的設備具有不同的PanID。為了解決重復觸聯問題，利用網絡標識符特征，本文提出“單次觸聯策略”，它的基本思想是這樣的：在保留上述4個步驟的基礎上，僅僅改進第三個步驟，那就是：①遙控器請求搜索現場ZLL燈具；②現場多個ZLL燈具應答； ③不屬于本網絡內的應答燈具(即具有不同PanID燈具)間的LQI指標對比；④添加具有最強LQI的ZLL燈具。顯然，第三步驟在算法上的改進，不會影響ZLL設備間的互操作性；但帶來的好處是不言而喻的，它可以有效地避免已入網燈具被多次重復觸聯的可能。改進后的實驗結果：重復上面的實驗，執行了110次左右的觸聯操作，100盞燈具全部被添加入網。

1.2 ZLL遙控器克隆的問題及對策

前面已提到，用多個遙控器來操控照明現場最貼近辦公室或會場的應用需要，所以利用ZLL遙控器的克隆技術以期獲得多個遙控器來控制同一個照明現場的功能就非常重要。基于大量的嘗試實驗，我們歸納了ZLL遙控器成功克隆應滿足的主要條件，如下列出：(a)NFN遙控器：保存了照明現場ZLL網絡數據的遙控器；(b)FN遙控器：處于出廠初始設置的待克隆遙控器；(c)ZLL燈具：至少有一盞ZLL燈具在工作(和NFN遙控器屬于同一個ZLL網絡)，在克隆現場充當NFN和FN遙控器之間網絡通信的父節點；(d)遙控器蘇醒時間長度：為了遙控器電池的節電，處于休眠狀態的遙控器在點擊按鍵后被喚醒，持續一定蘇醒時間后，再次進入休眠狀態。為了可靠克隆，NFN和FN遙控器的單次蘇醒時間需要足夠長(譬如10 s以上)；(e)按鍵操作的同時性：在執行克隆操作時，必須同時點擊NFN和FN遙控器上對應于觸聯功能的按鍵，以避免FN遙控器將ZLL燈具“偷出”原網絡而發起新網絡；(f)避免信道干擾：如果附近有ZLL網關在工作，則在在執行克隆操作時，該ZLL網關盡量暫時斷電，以避免因信道干擾對克隆操作的影響。

圖2示意出一次成功的克隆過程中，利用射頻嗅探器和Ubiqua協議分析儀所抓取到的關鍵數據報文信息，限于篇幅，忽略MAC層、NWK層、APS層等的數據包，而僅列出應用層的數據包。在報文中可以看出，克隆過程中的信息交互和觸聯操作很類似，關鍵是以下幾個步驟：①NFN遙控器A和FN遙控器B都發出搜索請求，遙控器A屬于PanID_K網絡；②PanID_K網絡內的ZLL燈具會對NFN和FN遙控器都作出搜索應答；③FN遙控器對NFN遙控器也作出搜索應答；④NFN遙控器對FN遙控器發出識別請求；⑤NFN遙控器邀請FN遙控器B加入PanID_K網絡；⑥遙控器B加入到PanID_K網絡(此時遙控器B不再是FN狀態了)，并以PanID_K網絡內的ZLL燈具作為自己的父節點；⑦以父節點為中轉橋梁，A遙控器中的數據(PanID_K網絡端口信息、燈具分組信息、燈具詳細的設備信息)復制到B遙控器中。

圖2 ZLL遙控器克隆過程中通信應用層報文分析Fig.2 Application layer message analysis for clone process of ZLL remotes

克隆時刻，必須保證至少有一盞本網絡內的ZLL燈具在工作，因為遙控器之間克隆網絡數據時，必須要有ZLL燈具(路由設備)來充當遙控器(終端設備)的父節點，這是ZLL網絡網狀結構中對遙控器入網的基本要求。如果沒有父節點的參與，則克隆過程執行到步驟⑤就結束了，屬于失效的克隆。需要注意的是：在克隆時刻需要有本網絡內ZLL燈具的參與，但并不是說本網絡工作中的ZLL燈具的數量越多越好。相反，在克隆時刻，如果本網絡內工作中的燈具太多，由于信道數據擁塞，會嚴重影響克隆過程的可靠性。

上面的克隆條件中，已提到遙控器的“蘇醒時間”。在ZLL燈具較多的照明現場，遙控器的蘇醒時間越長，則遙控器克隆過程穩定性越好，但遙控器的電池節電性就受到影響。為了兼顧克隆性能和節電性能，本文提出“動態蘇醒時間”策略：在克隆過程尚未結束而遙控器單次蘇醒時間快耗盡而即將進入休眠狀態之前，自動再激活一個新的蘇醒周期，從而保證整個克隆過程的完成。

同一個ZLL網絡內，為了避免多個遙控器分別在觸聯添加新的ZLL燈具時的地址沖突問題，遙控器克隆遵循“地址空間半分法”的原則。2個因素即“地址空間半分法”和網絡內燈具總數目，從理論上決定了遙控器最多可克隆的次數，并且失效的克隆操作會占用理論克隆次數指標。理論上的克隆次數足夠實際應用需要，關鍵是要提高每次克隆操作的成功率，這樣用戶體驗才會好。嚴格遵循上面歸納的“克隆條件”，可以保證克隆成功率。

克隆操作實驗：在一個較大的ZLL燈控現場，用ZLL遙控器A添加并配置了150盞ZLL燈具，網絡數據保存在遙控器A中。然后準備用遙控器A來克隆遙控器B，它們的蘇醒時間都是10 s，為了使克隆過程順暢，只讓其中的20盞燈具上電。從點擊觸聯按鍵開始到克隆過程完成，共耗時20 s多(即自動激活2個新的蘇醒周期)。

2 ZLL燈控系統的工程應用

下面通過一個智能照明改造工程項目，系統地介紹利用ZLL遙控器來配置和控制照明現場的過程。照明現場部分燈具分布如圖3所示。該工程項目中，ZLL燈控系統由120盞ZLL-T8燈具、4個ZLL遙控器構成。工程現場是一個商業場所，現場吊頂有4 m多高，為了方便觸聯操作，將ZLL設備觸聯階段RSSI設置在-80 dBm，這樣無需登梯也能輕松地觸聯添加ZLL燈具。

首先，照明設計人員會根據現場實際照度、燈具配光以及場景需要，提供一份詳細的場景設計文件：以X-Y平面坐標標示出的每盞燈，在每個場景下的開關狀態或者亮度大小。該照明工程中ZLL燈控系統設計的詳細過程如下：

(i)觸聯添加燈具：新安裝的120盞ZLL燈具上電，用遙控器A執行觸聯操作，以發起ZLL網絡并添加燈具。由于采用了單次觸聯策略，所以燈具添加速度很快，平均每5 s就有一盞燈入網。15 min后，120盞燈都成功被添加入網。

(ii)定義和保存燈具的分組屬性：利用遙控器上的相關功能按鍵，依次選擇每盞燈，根據該燈在現場所處的空間位置，將它分派到指定邏輯分組之中。重復這個操作，完成120盞燈的分組屬性定義和保存。

(iii)預置場景和場景切換：照明現場使用頻度最高的應用是全開/全關/多場景切換等3個操作。照明場景，通過設置現場各個分組內燈具工作狀態的組合來得到。在完成第二步的分組屬性定義后，預置場景就比較簡單了。另外，在配置復雜場景時，無需一步到位，可以保存局部的配置(類似于寫文章不停地保存局部成果)，等時間空余了再完成復雜場景的剩余部分配置。這也是遙控器使用中的人性化防呆考慮。

(iv)克隆遙控器：當遙控器A完成了網絡發起、燈具添加、組/景設置等配置后，現在就可以執行遙控器克隆的操作，以得到另外3個遙控器B、C和D。具體操作步驟是：①現場的120盞燈具中，讓少量燈具(譬如20盞)上電工作；②3個待克隆的遙控器B、C和D都恢復到出廠初始狀態；③NFN遙控器A和FN遙控器B靠在一起，同時地點擊各自的觸聯按鍵，啟動克隆過程，該過程大概持續25 s。遙控器中采用了蜂鳴器，所以克隆過程中，每1 s有一聲蜂鳴聲，相當于克隆過程的進度提示。克隆完成后，網絡數據(120盞燈具的設備信息、分組設置等)就復制到遙控器B中；④重復操作，以遙控器A或B為母體，再克隆遙控器C和D。然后，就可以單獨(或同時)用遙控器A、B、C和D便捷地控制現場的所有燈具。

在該照明現場，中間過道照明場景和整個現場柔和照明場景，在圖4和圖5中給出。

圖3 照明現場部分燈具照片Fig.3 Photo of the lighting scene

圖4 中間過道照明場景圖Fig.4 Mid-passageway lighting scene

圖5 現場柔和照明場景Fig.5 Soft lighting scene

3 結論

基于ZLL遙控器操控的ZLL燈控系統，安裝配置簡單、貼合用戶的照明習慣和應用需要、具有廣泛的互操作性。采用本文提出的單次觸聯策略，ZLL燈具添加入網變得很順暢；采用本文歸納的遙控器克隆基本條件以及提出的動態蘇醒時間策略，ZLL遙控器克隆成功率及工程實用性得到極大提高。我們希望本文的研究能推動ZLL燈控系統在室內照明控制中的廣泛應用。