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暴力拆解:解码基于ZigBee技术的幻腾智能照明套装

浏览次数:520 分类:技术文献

  智能家居的概念虽然模糊,但却深入人心,也不知从何时起,智能家居入口争夺演变为抢滩登陆,并且随着时间前行有愈演愈烈的趋势,虽然各个厂家卯足全力不断推陈出新,但偏偏就没有一个产品能像智能家居概念那样深得人心,市场上智能家居系列的产品各种各样,琳琅满目,电视、遥控器、LED灯、插座、路由器等都能作为智能家居产品迎来新一次的变革。


  或许大家还有印象,不久前,本网拆解过基于低功耗蓝牙4.0的iMagic智能LED灯,五颜六色的灯光效果确实很炫,但之后呢?留给我们普遍的印象不过是”不太实用,仅供娱乐”的信息,由此看来,智能家居系类产品虽然新颖时尚,但也只有符合实际生活需求,切切实实提供用处的产品才能符合大众的口味,得到大家的认同,鉴于此,下面将给大家带来一款比较务实的智能家居产品–基于Zigbee技术的幻腾智能LED照明套件,见下图。




  幻腾智能照明套装


  幻腾智能照明套装采用了简洁的牛卡纸包装盒,打开后会发现内部又装有5个小包装盒,里面分别是Nova灯*2、随心开关*2、网关*1,给网关供电的5V输出的适配器*1,一份简易说明页、3M胶贴,如下图所示。其中特别需要注意的是每个小包装盒上都有盒内设备的唯一二维码,这个在配置手机APP时需要用到的,很重要。



  幻腾智能照明套装配件


  幻腾智能照明套件的通信控制交互原理是基于Zigbee技术,在Atmel ATMEGA256RFR2 Xplained Pro开发板评测中,也曾介绍过这种技术,Zigbee是基于IEEE802.15.4标准,但更是IEEE802.15.4标准的扩展,IEEE802.15.4仅处理低级的MAC层和应用层,而ZigBee则对其网络层的协议和API进行标准化,见下图。



  ZigBee标准


  物理层:协议的最底层,承付着和外界直接作用的任务,控制RF收发器工作


  MAC层:负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束确认模式的数据传送和接收


  网络层:建立新网络,保证数据的传输,对数据进行加密,保证数据的完整性


  应用层:应用支持层根据服务和需求使多个器件之间进行通信,可以根据用户需求自主开发


  ZigBee工作在全球ISM免执照的2.4G频段,是一种低速率(20~250kb/s)、短距离(10~100米,增加RF发射功率可增加通信距离到1KM以上)的无线通信技术,但是胜在低成本、低延迟(15ms~30ms)、低功耗以及强大的组网能力,可支持65000个节点,支持多种网络拓扑,从幻腾智能照明套装配备的两组LED灯两组开关以及一个网关也能看出一二。


  幻腾将自家的LED灯称作为Nova灯,当然这仅仅是一个名称,意为”新”和”亮”,并不是指一种特制的灯。Nova灯采用了和iMagic LED灯一样的设计结构(见下图),标准的E27螺旋扣,适合大多数家庭使用,Nova灯标称6W的额定功率,并且可在100V~240V的交流电环境下使用,这样的宽电压供电设计非常棒,即使在国外使用也完全没有问题。而最让笔者感慨的是Nova灯在散热设计上的不留余力,铝片栅格的散热设计能最大程度的降低LED工作时产生的热量,安全第一,虽然拿着Nova灯的手感极差,但谁会没事拿着个灯泡呢?



  Nova灯外观


  一个简单的开关,同样被幻腾有创意的命名为随心开关,望文生义,可见这个开关在生活中的应用相当灵活,随开关附带的还有3M胶贴,可以将开关安置在你任何想放置的地方,确实很省心。


  随心开关为圆正方形设计(见下图),一个成人巴掌那般大小,正面采用了磨砂设计,手感很棒,不过按键的反馈只有在开关中部按下去时的反馈才比较明确,按键内部设计处理应该比较粗糙。



  随心开关



  TelePort网关(见图),带一个电源输入孔、一个以太网口以及一个状态指示灯,这个东西是干什么用的呢?相信没接触过Zigbee技术的都会产生这样的疑惑。这还是要回到Zigbee技术的特点上,提到Zigbee,其最大最明显的优势是其独特强大的组网能力,可支持65000节点,那要如何管理这些节点呢?这就出现了一个网络协调器的概念,它负责发起和建立整个网络的管理,在幻腾智能照明套装中,TelePort网关就扮演着这样的一个角色,将它接入互联网,通过手机APP,它同时可以管理开关与Nova灯。



  TelePort网关


  幻腾智能照明套装的3个主要设备就包括了以上的Nova灯、随心开关、TelePort网关,而这3个设备也组成了一个小型的Zigbee网络,我们接着就实际来体验下基于Zigbee技术的智能LED灯使用情况。


  准备工作就不多说了,作为工程师或者工科男,换个灯泡,装个APP软件那不都是手到擒来的事,仅需要注意的是在配置APP时候必须要将TelePort网关联网上电,幻腾智能照明套装APP同时支持Android以及iOS系统,不搞歧视化。



  配置网关TelePort


  不得不说,移动互联改变我们平时的生活习惯,原本那些厌烦的序列码什么码之类的如今都可以通过扫描二维码来实现,下载APP软件扫描二维码,添加设备同样扫描二维码,一步搞定。



  添加组网设备


  将所有的设备都添加进APP后,Nova灯即可以通过手机上的APP控制,并且可以设定闹钟开关灯以及情景模式下的灯光开关以及灯光效果。



  设置闹钟以及情景模式


  除了情景模式下设定Nova灯的特定灯光效果,同样可以长按APP上的Nova灯图标直接对灯光进行控制(见下图),非常人性化,虽然这里都是在说手机与Nova灯的互动,但是实现过程还是需要通过TelePort网关的,也就是说,你将TelePort网关去电,手机APP是没法直接控制Nova灯。



  设置灯光效果及设置随心开关



  当然,如果是设置好了随心开关,那又是另一回事了,如上图最后一张APP截图,长按随心开关键,手机APP上会跳出一个设置随心开关控制Nova灯的设置窗口,此时勾选你想同随心开关控制那盏灯或者同时控制都可以,还能设置色温、亮度等参数,非常简单。下图则是通过随心开关控制Nova灯的效果。


  随心开关控制Nova灯开关


  一旦将随心开关设定完成,只要不修改设置,以后就可以通过随心开关像家里其他电器一样随意的控制,无需打开烦人的APP,无需连接互联网,就是这么方便,这对尤其想要扩展灯光覆盖范围但已经装修完毕的家庭而言是一个非常理想的解决方法。


  对于基于Zigbee技术的幻腾智能照明套装,在实际生活中的使用简单方便,易于设置,但如果仅是这样,这也仅仅算是一个成功商品,还不至于让笔者赞叹,但是,幻腾智能明显走的更远,超出你的预期,如果你电子工程师,你想通过幻腾智能照明套装来玩来学习,那么,它一定不会让你失望。


  幻腾智能照明套装还附带到了让工程师人振奋的服务–幻腾应用编程接口。工程师可以利用这套接口编程操控幻腾的智能设备,同样还可以整合其他供应商的设备实现整体家居自动化。在幻腾的官网有一个应用编程接口的标签,点击进去就能对幻腾智能照明套装进行编程操控(需要登录),目前虽然还处于beta1版,但是基本功能都可以正常使用,下图则为开放的API接口功能。



  幻腾智能照明套装目前具有的接口和功能


  每个接口功能都有相应的模型结构代码以及附加注释,即使不懂代码,稍微学习下都可以很好的理解,对于想学习的这方面的工程师来说相当实用,笔者尝试了下上图中的功能,在手机上能实现的功能在这套应用编程系统中都可以实现,而且它还能实现手机上无法实现的功能,比如删除已有账号中的设备,换另一个账号绑定设备,笔者就通过实际操作来展示这套应用编程规范的更详细内容。


  首先选择获取当前账号上所有的设备信息,为了易于理解,下文都将以注释中文的模型输出。




  获取的当前账号上的设备信息


  记住这些设备的device_identifier号,然后打开删除设备的接口功能,输入你需要重新绑定其他账号的Nova灯或者随心开关的device_identifier号删除



  选择需要删除的设备


  删除设备后,系统会重新生成一个新的二维码,点击获取可用的二维码。




  获取可以使用的二维码



  将可以使用的二维码的code记住,添加到你需要绑定的账号中,大功告成。


  将二维码添加到你需要添加的账号


  虽然相对于其它我们见过的产品,幻腾智能照明套装删除绑定其它账号的操作会显得复杂的多,但是对于喜欢折腾、学习的工程师来说,这个免费的学习机会非常难得,而且相对产品本身来说有趣的多。


  幻腾智能照明套装在产品本身上已经做到了成功,以此为基础开放的应用编程接口更是捕获大多数喜欢DIY的工程师的芳心,这为封闭的智能家居提出了新的挑战,值得我们期待。


  幻腾智能照明套装拆解


  拆解Nova灯


  谈也谈了、玩也玩了,想要更深入的了解幻腾智能照明套装,无疑拆解是最好的办法。有过iMagic 智能LED灯的拆解经验,笔者自信心爆棚,试问,再拆解一个Nova灯不是手到擒来的事,结果,说多了都是泪啊,不废话,直接上图。



  Nova灯的LED阵列


  拧下Nova灯的灯罩就能看到LED灯的铝基PCB板,内部LED成阵列分布,总共有24颗LED,冷色暖色LED并排,这样设计在调节色温的时候能产生非常均匀的发光效果,在铝基PCB板中央为ZigBee天线设计,这样突出的设计虽然影响美观,但也是迫不得已,一来内部空间有限,二是铝制外壳内部很容易屏蔽信号,如果为了美观设计将天线做在内部势必要影响信号,当然,有能力的可以将天线与外壳结合起来,就如iphone4刚发布时那种天线设计的惊艳感,不过,在中国硬件快餐文化中,要想投入心思做这个很难,而且说穿了,为了一个LED灯,大费周章的做天线美观设计,这不是国内企业干的事。


  说着说着就有些扯远了,回顾头来继续看Nova灯的拆解,老规矩,只能使用暴力的手段分解了。




  拆解Nova灯1


  具体过程不再详述,大家看图就行,刚拆到内部结构时相信大家都会同笔者一样懵了,居然采用了绝缘导热胶灌封,这下单纯暴力都不顶用了,无奈,只能用小刀一点一旦的切去绝缘导热胶,最后还是为了将内部模块从铝制散热外壳中抽出来,直接将LED铝基PCB板直接给硬掰了,这下Nova灯肯定是彻底报废了。




  拆解Nova灯2


  幸好功夫不负有心人,最终内部模块还是千呼万唤始出来了,样子有点掺目忍睹,模块上不仅有绝缘胶,还有绝缘胶带,见下图。




  拆解Nova灯3–电源模块+主控制通信板



  分开后发现内部模块有主要由一个主控制通信板+一个电源模块组成,绝缘胶带主要用于隔绝这两块PCB板上的器件相互接触,一起看下主控制通信板的方案。


  主控制通信板1


  主控制通信板的微控制器采用了意法半导体的STM32F103系列–STM32F103CBT6,基于ARM Cortex-M3内核,72MHz的主频,带闪存、带USB、CAN控制器,集成了有7个定时器、两个ADC以及9个通信接口(包括I2C、SPI、UART接口等),对于STM32的微控制器,相信大家了解的还是非常多的,毕竟出现的场合频率也非常高,比如这款STM32微控制器与爱板网之前评测过的STM32F0 Value Line开发板同属于一个系列微控制器,而且巧合的是友尚智能插座采用了同样系列的微控制器解决方方案,确实,总总迹象表明STM32的微控制器在市场上的占有率不低,想学习32位单片机的朋友不妨考虑从STM32开始。


  主控制通信板的Zigbee射频方案则是采用了NORDIC的nRF2401 RF 收发器+RFaxis RFX2401C RF前端的组合。nRF2401主要用于信号的调制解调(见下图nRF2401系统原理框图),工作在2.4G ISM频段,最大支持2MBps的空中速率,-82dBm的接收灵敏度@2Mbps,-85dBm的接收灵敏度@1Mbps,除此之外,nRF2401具有极其低的功耗


  900nA深睡眠模式


  11.3mA TX模式@0dBm


  12.3mA RX模式@2Mbps 空中速率



  nRF2401系统框图


  在nRF2401 RF 收发器前端电路中采用了RFaxis的RFX2401C 2.4G无线RF前端解决方案,内部集成了PA、LNA以及开关电路(控制收发),可以灵活应用在支持IEEE802.15.4、ZigBee标准、无线传感网络以及其他2.4 ISM频段的无线网络系统的射频前端。


  主控制通信板的另一面是LED驱动电路,如下图所示。



  主控制通信板2


  通过电压模块转换而来的电压经过安森美MC3406 DC/DC转换后提供给PowTech PT4115 LED驱动IC供电,通过微控制器控制LED驱动IC的DIM信号实现对LED灯的控制调节,整个Nova灯的硬件原理框图如下。



  Nova灯原理框图


  拆解完Nova灯,接着来看下TelePort网关,这个拆解就非常简单,纯手力掰开外壳就行了。



  拆解TelePort网关


  网关PCB板的空间非常大,内部布局一目了然,主板采用意法半导体STM32F107系列作为主控制器–STM32F107VCT6,而Zigbee的射频方案就直接照搬Nova灯上的方案,没什么区别,见下图。




  TelePort网关主板


  可能会有人有疑问,微控制器的选择和Nova灯一样不更简单?这就要说下这里为什么选择STM32F107系列而不是STM32F103系列,主要还是出于微控制器集成的外设资源考虑,看Tele网关这个产品,有一个以太网口的功能,而之所以使用STM32F107系列就在于其集成了一个百兆的以太网控制器,这也是与103系列最大的不同之处。TelePort网关硬件原理框图如下。



  TelePort网关原理框图


  拆解随心开关


  最后再来看下随心开关内部有些什么器件,打开后盖后会发现原来四角都放置着一个弹簧,而中央则是开关的薄膜按键,怪不得在之前使用的时候笔者按键有反馈不明确的感觉,看来如果使用随心开关控制Nova灯,需要你老老实实的按中央部位,按四角周围区域可能仅仅是按下弹簧,那是在坑自己。



  拆解随心开关1


  随心开关内部不像爱板网之前拆解过的自发电无线门铃中的自发电技术可以靠”人工发电”,随心开关内部采用了一颗3V的纽扣电池作为供电源,这种设计足以说明产品的低功耗特性。



 


  拆解随心开关2


  细看PCB板电路设计,随心开关的Zigbee方案采用了集成度更高的NORDIC的单芯片Zigbee/2.4G 无线解决方案nRF24LE1E,见下图。



  随心开关PCB板


  事实上nRF24LE1E内部是由一颗Nordic nRF24L01(收发器)+一颗兼容8051系列的8位cpu,并且集成1KB+256B RAM,16KB FLASH等外设资源的Soc,由此也不能看出nRF24LE1E可以与NODIC其它产品如 nRF24L系列, nRF24E系列和nRF240系列等空中接口实现兼容,参见下图nRF24LE1E系统原理框图。



  nRF24LE1E系统原理框图


  随心开关体积小巧,用单芯片的ZigBee解决方案似乎更为合理?但是即使用nRF24L01+RFX2401C的解决方案,在Noval灯上已经证明了其可以做得足够小,那为何不用在随心开关上?或者说为什么Noval灯和TelePort网关为何不用Nordic ZigBee的单芯片解决方案?依照笔者的推测,主要两方面原因,第一,随心开关的纽扣电池供电不适合nRF24L01+RFX2401C的解决方案,而至于Noval灯和TelePort网关则使用带有外部PA发射功率更强、信号通信范围更广的nRF24L01+RFX2401C的组合更为理想,最后在来看下随心开关的简单原理框图。



  随心开关原理框图


  看完幻腾智能照明套装的拆解,你是否有种茅塞顿开的感觉,Zigbee的组网手段,就单以LED灯的应用来看,确实要比如今很火的蓝牙低功耗作为智能LED灯要有优势,而且优势明显。另外,整个智能照明套装也仅售436RMB,非常具有性价比。这让笔者感叹了很多,如今智能家居系列的设备会越来越多,同一样产品可以通过不同的技术手段得以实现,而且给人的体验感受、价格差异等完全不同,这就是所谓的科技魅力了吧。对于ZigBee技术,其低功耗、强大的组网能力是任何需要节点设备的低传输速率应用理想的选择,同样也是PC外设、消费性电子设备、工业控制、医疗控制、交互玩具等应用的第一参考。


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