觸動智能互聯(lián)照明的開關(guān)

Silicon Labs 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品資深產(chǎn)品經(jīng)理 Matt Maupin

在本文中，將探討快速成熟的智能照明市場，并研究推動消費者向家庭自動化發(fā)展的一些驅(qū)動因素;還會探討伴隨無線照明連接性產(chǎn)生的特定設(shè)計挑戰(zhàn)，以及開發(fā)人員如何利用最新技術(shù)滿足不斷增長的需求。

重新構(gòu)思燈泡

在大約140年前，托馬斯·愛迪生申請了第一項關(guān)于“Improvement in Electric Lights”的專利，其中描述了使用碳絲作為白熾燈導(dǎo)體以限制發(fā)熱，從而使電燈可以長時間持續(xù)照亮。那時，主要的設(shè)計問題是如何不讓原型燃燒起來，而今天，照明幾乎被認(rèn)為是理所當(dāng)然的事情，這之間顯然發(fā)生了巨大變化。

在愛迪生取得重大成就之后的140年間，照明領(lǐng)域最具突破性的進(jìn)步之一便是LED的發(fā)明。如今的LED，尤其是互聯(lián)LED，帶有一些附加功能，如顏色選擇。此外，LED每單位瓦特所發(fā)出的流明數(shù)高于傳統(tǒng)白熾燈泡，從而大幅降低能耗,而且LED的能效不受尺寸的影響。然而，由于連接性需求，所有這種控制都為用戶帶來了全新的復(fù)雜性。

設(shè)想一下，下班回家，在您走進(jìn)家門之前，燈便已打開。抑或在清晨，臥室照明通過逐漸調(diào)節(jié)床頭燈的顏色和亮度，在一小時內(nèi)慢慢將您喚醒。

如今，雖然LED照明是一項價值300億美元的全球產(chǎn)業(yè)，卻仍未跨越鴻溝，成為主流照明。目前，彩色互聯(lián)燈泡的成本約為每只50美元，而美國家庭平均有40個燈座?；ㄙM近2 000美元購置燈泡對任何人來說都不利于推廣，可能只有最熱忱的早期嘗鮮者愿意接納。LED燈價格一直在下跌，2014年，一只標(biāo)準(zhǔn)LED燈泡的價格為25美元，但現(xiàn)在僅為2美元。價格下跌為供應(yīng)商創(chuàng)造了差異化的機(jī)會。

互聯(lián)照明的優(yōu)勢

目前有三大主要優(yōu)勢正在推動互聯(lián)照明的采用：便捷性、智能和數(shù)據(jù)分析。照明是重要的環(huán)境因素，對人們的日常生活有著重要影響。例如，在辦公環(huán)境中，照明通常為靜態(tài)，因此不會變化。燈要么打開，要么關(guān)閉。打開時，房間內(nèi)充滿熒光，這種光線有利于閱讀，但并不適合盯著電腦屏幕看。如果可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)環(huán)境照明以適合當(dāng)前工作，將會十分方便，這一愿望現(xiàn)已成為現(xiàn)實。智能照明以及智能化和傳感器的使用也讓用戶有機(jī)會了解到入住數(shù)據(jù)等信息，或監(jiān)控室內(nèi)狀況、溫度，甚至流量模式。最后，智能LED可提供與位置和空間利用相關(guān)的分析功能。例如，LED可用于確定樓宇內(nèi)利用率最高的區(qū)域或提供有關(guān)倉庫空間使用效率的反饋。

大多數(shù)人會選擇在家中安裝少量互聯(lián)LED，以逐步邁入智能照明時代。除了改變輸出的本質(zhì)，智能照明以及隨之產(chǎn)生的連接性為住宅帶來了大量好處。無論身在何處，用戶都可以利用無線監(jiān)控和控制能力來控制能源使用。此外，智能和數(shù)據(jù)分析也帶來附加價值，不僅可以讓消費者實時查看能量消耗情況，還能夠通過移動設(shè)備控制智能物件，更增添了占位和環(huán)境條件傳感器等先進(jìn)功能，這樣無需用戶采取任何操作，環(huán)境便能夠自發(fā)作出響應(yīng)。在更加智能地控制照明方面，占位、環(huán)境光線、甚至溫度傳感器都起到重要作用。在室內(nèi)無人時關(guān)閉燈具真的只是冰山一角。

基于位置的照明也是新出現(xiàn)的便利功能。該理念利用燈光來判斷人的位置或占位情況，存在燈光表示有活動進(jìn)行，人們通常聚集在有燈光的地方。由于燈具是固定的，在工業(yè)、商業(yè)，甚至一些戶外場所(如停車場和城市中心)通常均勻地間隔開，因此能夠完美地照射人所在的位置。在燈具內(nèi)集成定位功能的使用案例十分常見，最簡單的形式是將燈具的健康狀況與位置相結(jié)合，人們可以預(yù)防性地確定該燈具的維護(hù)時間，從而節(jié)省時間與資金。利用傳感器或Bluetooth信標(biāo)等技術(shù)可準(zhǔn)確判斷一個人的位置。

使用通過聚合不同時間和空間的數(shù)據(jù)得到的信息，可確定倉庫、超市甚至停車場的空間利用效率。這類數(shù)據(jù)的另一個使用案例是零售商可以根據(jù)購物者的位置選擇性地促銷產(chǎn)品。

新興市場趨勢

安全性正逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍面臨的問題，照明也不例外。系統(tǒng)的好壞取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。但由誰來保證系統(tǒng)的安全呢？ 安全性不應(yīng)被視為在開發(fā)周期結(jié)束時可實現(xiàn)的功能，而應(yīng)該貫穿于整個過程。

這些無線系統(tǒng)十分復(fù)雜，而工程師的工作重點在于設(shè)計出有效的產(chǎn)品，因此很容易變得固執(zhí)，不惜犧牲其他考慮因素去追求有效性。有一種強(qiáng)大的系統(tǒng)化方法可減少這些危險，幫助團(tuán)隊集中精力投入其專業(yè)領(lǐng)域方面。

好消息是，目前已有可大幅提高智能照明系統(tǒng)安全性的工具。

創(chuàng)新已不算是挑戰(zhàn)，真正的挑戰(zhàn)是以正確的方式學(xué)習(xí)如何使用技術(shù)。例如，在Bluetooth或ZigBee芯片上關(guān)閉安全性功能可簡化開發(fā)并方便調(diào)試。這也可能會拉低零件價格，因此在禁用安全性方面，可能存在一些成本誘因。另一個常見錯誤是，在芯片投入生產(chǎn)時未關(guān)閉調(diào)試接口。如果最終用戶連接調(diào)試程序，芯片會變得完全透明。取消安全性可能帶來短期利益，但會產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這些利益的長期代價。

服務(wù)于智能照明市場的每個人，從芯片設(shè)計者到消費性設(shè)備制造商，都需要共同承擔(dān)起責(zé)任。目前，并沒有真正的激勵因素讓每個人承擔(dān)更多的責(zé)任作為自己工作的一部分。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的攻擊時，后果不僅僅是收入流失或?qū)蝹€品牌造成損害。失去消費者的信任可造成市場長期萎縮。與任何技術(shù)一樣，用戶體驗至關(guān)重要，如果因為這些個別的，卻但廣為人知的失敗而讓消費者缺乏安全感，那么人們在購買時就會變得猶豫。長期不安全的設(shè)備可能會引發(fā)行業(yè)監(jiān)管或認(rèn)證。

多協(xié)議連接性的設(shè)計要求和優(yōu)勢

在考慮智能照明系統(tǒng)時，以下因素是關(guān)鍵的高層次需求：低成本、小尺寸、產(chǎn)品壽命較長、嚴(yán)格的監(jiān)管要求、工作溫度較高(125 ℃)、靈活的連接性(多協(xié)議)、安全、適應(yīng)未來需求(無線更新)。

多協(xié)議的靈活性與易用性正逐漸成為競爭優(yōu)勢，可提供更好的用戶體驗和增強(qiáng)的使用案例，可以是簡單地對ZigBee進(jìn)行Bluetooth調(diào)試，也可以是同時運行ZigBee或Thread和Bluetooth。

可編程多協(xié)議

最基本的多協(xié)議支持必須包括芯片組，當(dāng)使用合適的軟件協(xié)議棧進(jìn)行編程時，該芯片組可運行任意數(shù)量的無線協(xié)議。能夠在生產(chǎn)中對芯片進(jìn)行編程以支持Bluetooth Smart或ZigBee或Thread或一些專有協(xié)議，這意味著制造商可簡化其硬件設(shè)計并快速應(yīng)對不同市場。對于所有其他多協(xié)議使用案例而言，通過不同軟件映像支持多個協(xié)議的芯片平臺是基本前提。

切換的多協(xié)議

對于任何多協(xié)議平臺而言，下一步是在現(xiàn)場部署設(shè)備后，能夠通過引導(dǎo)裝載新的固件映像來更改所支持的無線協(xié)議。我們將會看到，這需要一些基礎(chǔ)構(gòu)建模塊，但卻為適應(yīng)未來需求的現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)造了大量機(jī)會，包括利用智能手機(jī)連接性來簡化和保護(hù)部署ZigBee、Thread 設(shè)備加入無線網(wǎng)絡(luò)。

圖 1

圖 2

動態(tài)多協(xié)議

最終，任何多協(xié)議解決方案都必須解決利用時間分片機(jī)制在協(xié)議之間共享射頻，從而實現(xiàn)在一個芯片上共同運行多個無線協(xié)議的可能性，如此開辟出更多使用案例，尤其是當(dāng)Bluetooth Smart與其他無線協(xié)議結(jié)合使用時。在這些使用案例中，最簡單的情況包括在通常運行ZigBee、Thread或一些其他無線協(xié)議的設(shè)備上定期使用Bluetooth信標(biāo)。

例如，在零售照明網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)旁邊使用Bluetooth信標(biāo)以啟用近程感知應(yīng)用。如果零售商店配備受ZigBee控制的照明系統(tǒng)，則已啟用ZigBee的照明裝置也可用來定期傳輸Bluetooth信標(biāo)。由于燈具往往在整個區(qū)域內(nèi)均勻間隔開，因此商店內(nèi)的照明不僅能以理想的方式提供照明，還能夠根據(jù)這些位置將信息傳輸?shù)皆O(shè)備。

圖 3

Bluetooth信標(biāo)用于通知設(shè)備的存在和服務(wù)。通過使用定期接收到的數(shù)據(jù)包所收到的信號強(qiáng)度(RSSI)測量結(jié)果，移動設(shè)備可以測定其與任何指定信標(biāo)的距離，并判定其在靠近信標(biāo)還是遠(yuǎn)離信標(biāo)。通過監(jiān)控多個信標(biāo)，可以準(zhǔn)確了解移動設(shè)備在商店內(nèi)的位置。在零售商店環(huán)境的示例中，Bluetooth信標(biāo)可用于提供優(yōu)惠券以及與購物者所處店內(nèi)位置相關(guān)的定制優(yōu)惠。商店會為購物者提供智能手機(jī)應(yīng)用，通過監(jiān)控商店各處照明裝置發(fā)出的信標(biāo)，該應(yīng)用可提供位置相關(guān)信息并根據(jù)附近的產(chǎn)品與服務(wù)打造交互式用戶體驗。

圖 4

并發(fā)多協(xié)議

從本質(zhì)上來說，這是一種特殊類型的動態(tài)多協(xié)議。對于共享相同MAC和PHY的多個無線協(xié)議，有可能避免在不同的PHY或調(diào)制之間切換射頻。尤其是，如果ZigBee和Thread都位于IEEE 802.15.4 2.4 GHz MAC/PHY，就有機(jī)會共享該PHY，并在一臺設(shè)備上同時高效運行這兩個協(xié)議棧，因為射頻始終可用于這兩個協(xié)議棧。在相同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的ZigBee和Thread之間進(jìn)行路由可能帶來非常有意義的前景。

該使用案例和其他動態(tài)使用案例之間的區(qū)別在于，由于射頻協(xié)議或參數(shù)沒有變化，用戶離開網(wǎng)絡(luò)時沒有數(shù)據(jù)包丟失，因此盡管有兩個網(wǎng)絡(luò)/協(xié)議共享帶寬，用戶仍然不能同時接收 ZigBee數(shù)據(jù)包和Thread數(shù)據(jù)包，但普通CCA機(jī)制可用于避免沖突。

同步多協(xié)議

真正的同步操作的確需要兩個射頻，尤其是當(dāng)不同協(xié)議使用不同的無線電頻率時。如果應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧可在兩個甚至可能使用完全不同頻率范圍的射頻之間操作，這將產(chǎn)生極大的價值。這方面的一個示例為英國的智能電表，英國政府將在2020年之前為 3 000 萬戶房屋部署雙PHY ZigBee 通信集線器，從而實現(xiàn)家域網(wǎng)，其中包括2.4 GHz ZigBee 設(shè)備和1 GHz以下的ZigBee 設(shè)備(在863～876、915～921 MHz 條件下工作)，這些設(shè)備保持在相同邏輯PAN上并通過通信集線器在不同無線電頻率的設(shè)備之間路由流量。

應(yīng)用領(lǐng)域

在一些地區(qū)，智能照明開始展現(xiàn)出強(qiáng)勁的勢頭，本文已經(jīng)探討了消費市場以及易用性在該市場中的重要性，還可以看到，在零售和醫(yī)療保健等商業(yè)應(yīng)用及路燈等市政用途領(lǐng)域，采用率也會有所提高。每個應(yīng)用領(lǐng)域都具備獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)和要求。

智能家庭

為了更快地進(jìn)入這一市場，自動化智能照明解決方案以及如何為互聯(lián)家庭應(yīng)用提供最新的低功耗MCU、無線技術(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(包括ZigBee和Thread)是應(yīng)考慮的要素。合適的無線協(xié)議棧、認(rèn)證模塊和參考設(shè)計也將提供更多的優(yōu)勢。

智能辦公樓

在智能辦公樓和工廠這些環(huán)境中，通過利用合適的多個無線協(xié)議(包括ZigBee、Thread和Bluetooth)以及SoC和經(jīng)過認(rèn)證的無線協(xié)議棧實現(xiàn)互聯(lián)節(jié)能LED照明，可節(jié)省大量能源，幫助實現(xiàn)個性化工作空間，優(yōu)化制造。

智能城市

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2017-06-01)