基于 NXP JN5189 的 ZigBee3.0 智能家居开关面板方案

 过去几年,智能家居设备爆炸式增长。曾经被称为“家庭自动化”并仍被称为“物联网”的东西现在已经变成了一个更友好的类别,我们称之为智能家居。我们有几乎所有的供暖,照明,照相机,传感器,以及每周都会出现的新设备,将您的家搬到一个连通的未来。
       
在过去的几年里,我们已经从一个断开连接的系统转变为一个拥有新兴中心的世界,像亚马逊 Echo 和 Google Home 这样的大型设备作为将所有连接服务连接在一起的枢纽,以及 Apple 等新兴平台 HomeKit 和三星 SmartThings。那么 ZigBee 在智能家居这个勇敢的新世界中扮演什么角色?智能家居,智能家居背后的全部理念是让一切都与所有事物保持联系,让您在设备保持通知的同时随时了解情况。这可能是您的照明与您的安全摄像头对话,或者您的智能咖啡机在您起床时打开。物联网可能是一个相当无用的术语,但实际上,这就是正在发生的事情,一切都是连通的,这意味着信息可以共享,你的生活可以被控制而无需单独访问每件事物。


                                                            

如果从广义的建筑来看,智能家居设备主要应用在智能建筑之中。智能建筑行业发展潜力极大,被认为是我国经济发展中一个非常重要的产业,其产业带动作用更是不容小觑。据统计,美国智能建筑占新建建筑的比例为 70%,日本为 60%。2015 年,我国智能建筑占新建建筑的比例在 30% 左右。我国智能建筑起步于 1990 年,比美国晚了 6 年,比日本晚 4 年,通过对比美国和日本智能建筑的发展历程,预计未来我国智能建筑在新建建筑中的比例仍将保持每年 3 个百分点左右的提升速度,到 2021 年,我国智能建筑在新建建筑中的比列有望达到 57% 左右。从狭义的智能家居设备应用来看,主要集中在商品住宅市场,其中别墅及高档公寓的应用比例处于较高的水平。如果从每年房屋竣工面积来看,我国 2016-2021 年新建商品住宅智能家居设备行业市场规模预测如下表所示。

                                                                                                   

大联大世平集团,针对目前智能家居市场,推出基于 NXP JN5189 ZigBee 智能开关面板方案,该方案具有能够配合 APP 自定义动作功能、自由操控其他产品、指示灯反馈的功能,具有符合 ZigBee 3.0 规范、和其他厂商产品互联互通、低功耗、传输距离远、自组网自愈、底层稳定、成本低、开发周期短的特性,在市场上具有低功耗低成本的优势。

NXP JN5189 外围电路简单,仅需晶振和少量电容即可搭建最小系统,内部balun单射频输出口的设计和高达 10 dB 发射功率节省了射频电路设计和外部 PA 的成本。

方案硬件设计架构:

  1. 主平台的选择

      本 ZigBee 开关面板应用方案的主平台采用的是NXP JN5189,具有高性能,低成本,易于开发特点,采用此平台的原因是

       ① Cortex M4 内核,功耗低,运行稳定。
       ② 发射功率最大 +10 dBm,传输距离远。
       ③ 射频电路和内部电路全面优化,接收功耗较前代降低一半。
       ④ 工作电压幅度大,延长电池使用时间。
       ⑤ 稳定的 NXP ZigBee 3.0 协议栈,完整的应用层软件 Demo,缩短客户开发周期。
       ⑥ 使用 NXP 提供的免费 IDE MCUXpresso 进行软件开发,安全高效。
       ⑦ 芯片价格较同类产品有优势。

                                                             

           2. 方案原理图设计:

               JN5189 最小系统:无特殊元器件,成本低。

               大联大世平集团 ATU 实验室拥有网络分析仪等高端射频测试仪器,提供完善的射频设计技术支持。



                                                     

      3. 下载调试电路:
          
          ①
通过FT230XS实现USB to UART。支持对JN5189下载程序,支持串口打印调试。
          ② 通过 LPC11U35 仿真调试电路,支持通过 SWD 对 JN5189 下载程序,并进行仿真调试。
                               
                                                    
                 

                                                 

       4. 外设电路:

           由 QSPI Flash,LEDs,Buttons组成。

                                                  

      5. 方案 Layout 设计:
        
          ① 底板


                                                                



                ② 模组

                                                                                              

方案软件设计架构:

           方案的软件架构是 APL Layer + Network Layer + MAC Layer + PHY Layer 的形式,NXP 提供了完整的APL Layer 示例软件,用户只需对 APL Layer 进行少量修改,即可实现自己的功能。

    其特点有:

  • 模块化代码架构,易于理解。
  • 提供丰富的 API 函数,使用简单。
  • 用户无需关心底层问题。

          1.  NXP 软件架构:


                                                                              

        2. 开发环境

                   NXP JN5189 使用 NXP 提供的免费 IDE MCUXpresso 作为基础开发环境,MCUXpresso 是一款基于开源开发平台 Eclipse 进行定制优化的方便易用的IDE,受到众多 NXP 芯片开发者的好评。

           MCUXpresso 可以从 NXP 官网下载:https://www.nxp.com/design/software/development-software/mcuxpresso-software-and-tools/mcuxpresso-integrated-development-environment-ide:MCUXpresso-IDE


                                                            


                                                         


        3. 硬件测试工具 CMET Tool:

           NXP 提供了 Customer Module Evaluation Tool(CMET),可以对射频性能进行完整的测试,及时调整射频参数以达到更好的射频效果,此外还能进行低功耗电流的测量,检查其他硬件问题。
               
            CMET提供了 14 种测试模式:

                  ① 发射功率测试(正弦波模式)(Transmit Power Test(CW Mode))
                  ② 发射功率测试(调制波模式)(Transmit Power Test(Modulated Mode))
                  ③ 接收测试(Receive Test)
                  ④ 晶振频率测试(Oscillator Frequency Test)
                  ⑤ 电流测试(Current Measurement Tests)
                  ⑥ 射频功率测量(RF Power Measurement)
                  ⑦ 触发包测试(Trigger Packet Test)
                  ⑧ 接收包测试(Receive Packets Test)
                  ⑨ 发送包测试(Transmit Packets Test)
                  ⑩ 误包率测试(Connectionless Packet Error Rate Test)
                  ? 干净信道评估(Clear Channel Assesment Test)
                  ? 链路质量指示(Link Quality Indicator(LQI))
                  ? 周转测试(Turnaround Tests)
                  ? NFC 标签测试(NTAG Tests)

                                                                                                

  

连接云平台:

       ZigBee 智能开关方案能连接到大联大世平自研云平台 -- 大树云

       通过 MQTT 网络通讯协议连接到大树云服务器。
 
                                                                       

APP 界面:

       ZigBee 智能开关面板能使用大联大世平智能家居 APP 进行控制,能够自定义按键动作指向的控制功能。

比如,我可以在 APP 上指定单击这个动作能够控制房间的灯泡亮灭,也可以指定双击这个动作能够控制窗帘的拉开关上等。

        大联大世平集团智能家居 APP 界面 1

                                                                                                             

                                                                                                                                                          

               大联大世平集团智能家居 APP 界面 2:


                                                                                                           
                                                                                                                                                                           

       大联大世平集团智能家居 APP – 开关面板设备日志:


                                                                                        

场景应用图

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