联网照明如此复杂 该如何才能实现？
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联网照明是智能家庭的一个重要市场。然而，应用看似简单的联网照明，落实设计其实很复杂，需要可靠性、互通性和安全性，IEEE 802.15.4等无线技术与软件定义将助力这个市场实现。对此，Silicon Labs(亦称“芯科科技”)软件业务副总裁Skip Ashton先生近期接受行业媒体专访，针对联网照明及相关无线多协议技术与应用发展趋势进行详细的介绍与说明。 Silicon Labs软件业务副总裁Skip Ashton先生 联网照明市场 联网智能照明也许是智能家居市场的一个杀手级应用。据Silicon Labs介绍，其zigbee生意过去几年每年的增长率都在40%~50%，智能照明是其中很重要的部分。 在照明市场上，每家客户公司都争取在发现自己的竞争优势，例如Philips做的产品是价格相对较高的高质量的多光照功能产品，消费者可以把这种灯具放在厨房等地，可以控制灯泡与音乐协同产生不同颜色而产生聚会的感觉。而宜家是做更低成本的，可以适用于更大量的消费人群，其产品不能随着音乐调节颜色，也没有像Philips产品那样需要控制网关，但是价格非常低。 此外，在智能家居应用中，有的人喜欢智能门锁，有的人喜欢智能调温器，首先就是让这些设备联入网络，同时还要能够良好工作。 软件定义无线 物联网产品中非常有趣的事情是很多解决方案依靠的是软件。不过，大部分半导体公司认为自己的产品是芯片，但如果把芯片和软件封装在一起会变得非常强大，因为无线产品的特点之一就是软件解决方案。 联网照明的复杂性 联网照明是物联网中一个日渐活跃的应用。灯泡厂家很擅长于结合各种玻璃和发光二极管(LED)等微电子技术来制造各种灯泡，但是往往对于嵌入式网状网(Mesh)及无线连接等并不那么在行。当他们在设计无线照明开关时，没有足够多的技能来应对嵌入式软件和无线连接方面的挑战，所以半导体公司必须提供更完善的解决方案，而且它们必须是易于使用的。 这背后实现起来很复杂。因为照明和手机、电脑的的使用体验不同。作为照明用户，当你使用电灯开关时很简单，希望拨动开关灯光就发生变化，否则就认为是电灯泡坏了。在这种判断中没有其他选择，大家不会去猜想其中原因是否是因为网络连接有问题。但手机和电脑并不这样，手机和电脑如果是因为网络连接引起的中断，大家都可以接受。因此，现在使用联网照明，用户仍然希望随时都可以立即启用。所以联网照明就是在针对最简单的设备去做最复杂的工作，去实现非常高的可靠性。 而对于芯片厂商而言，就必须要提供芯片模组以及开发工具和软件，来助力实现这一切，并在出现问题时帮助分析原因和解决问题。比如，以前打开开关灯泡不亮时，就会问是灯泡坏了还是电路有问题;而现在就是要帮助客户进行全面分析，是否是网络没有把信息送到开关之上，还是遇到了安全性问题，也就是我们要帮助客户去搞清楚网络到底是否在良好地工作。 低成本需求 物联网产品必须降低成本，因为消费者需要将连接功能集成到产品中。例如LED灯泡，几年前大概要卖50美元/个，而今天已经降到50元人民币了。可见下降的速度很快。如果LED灯泡做到3美元/个，再加2美元物联网的部分，这才是较为合理的。 因为尽管人们需要连接功能，但是对其中带来的成本增加还是非常敏感的。这是物联网走向上亿级出货和实现普及面临的障碍之一，所以成本必须要降下来。这促使芯片公司去做更多的集成，把传感器、MCU、RF，甚至电源管理全部都集成在一个芯片上，以减少元器件的数量，从而使制造商降低物联网产品的总成本。 802.15.4 zigbee/Thread无线连接升温 市场上有多协议SoC，所以包括非常实用的15.4zigbee/Thread连接，也有蓝牙、Wi-Fi等连接能力。现在的关键问题是消费者更喜欢用哪种协议?如何使用它们呢? 目前看，如果一家制造商为家庭用户提供无线连接，最直接和安全的选择就是Wi-Fi。但是对于许多设备，Wi-Fi并不是合理的连接，所以还需要跟踪其他可以支持这些设备的协议。比如在联网照明领域中，Philips公司用zigbee来为其非常成功的灯泡产品提供连接，其他厂商诸如Osram等也做出了同样的选择。在机顶盒等其他领域内，也有诸如Comcast等很多领先的公司选择了zigbee到以太网、zigbee到Wi-Fi等方式。那么，这对每个人的家里意味着什么呢? 为了去连接互联网，每个家庭里都有很多盒子来作为连接汇聚点(Hub)，例如Philips的盒子、Osram的盒子，还有用于其他智能控制的盒子。这会使用户感到困扰和麻烦。 当然，在美国的家用市场中，这些设备正在提供更多样化的连接。最典型的有三类设备可提供连接：1.运营商提供的接入设备，诸如机顶盒、家用路由器;2.Wi-Fi热点类设备，它们也许是由运营商提供，也许是为了更好的覆盖而自行购买;3.语音、音视频接入和控制产品，比如Amazon的Alexa这类产品，购买的原因是为了一些服务。同时，其中有些又提供连接功能，虽然这不是消费者购买的主要原因。 首先来看不同厂商的盒子。从过去6个月(2016年12月到2017年5月)美国联邦通信委员会(FCC)对接入设备进行公告的信息，以及盒子厂商注册时的产品信息可列出表1。 从表1可见，服务提供商的机顶盒等宽带接入盒子已经具备了15.4连接功能。如Verizon最新的Fios机顶盒提供光纤到户宽带连接;领先服务提供商Comcast提供的家用接入终端，除了能够接入宽带网络以外，还带有15.4这样的连接功能;还有Dell的Edge Gateway等都有15.4技术来提供zigbee或者Thread连接。可见，许多运营商已经为机顶盒或者宽带网关提供了15.4连接功能。 表1中列是在家里用于Wi-Fi覆盖的设备，主要厂商如Linksys、TP-Link、Google和三星(Samsung)等都在其为美国市场提供的产品中，在网状网Wi-Fi功能之外加上了15.4连接能力。又如高通于2017年5月底在Computex展会上宣布做了一个参考设计，把Wi-Fi、Bluetooth再加15.4(本来就是Mesh)这三种协议结合在一起，做成了一个接入设备参考平台，提供给硬件设备生产商来采用。 最右侧是音视频控制设备，如Nest的控制器、温控器或者摄像头都在走向无线，都具有15.4无线连接而成为家里的15.4路由汇集中心。 可见，现在各厂商都在做更高的集成，因而可以取代多种设备，家里就没有这么多盒子了。虽然还不一定发现15.4连接，但是这些产品除了提供Wi-Fi以外，现在还提供zigbee连接。 在中国也一样，无论是电视运营商，还是腾讯、阿里巴巴等网络商，都很想把触角深入到家庭，而不只是在电视、电脑和手机平台上，他们也很关注把zigbee带入到家庭里面去。大家都在找新的应用领域。 这样的好处是，这些厂商在进入智能家居市场时，因为其设备已经具备了15.4功能，所以就没有额外的成本和更大的复杂性。当然，最终以什么方式进入不同的垂直生态，这取决于不同的运营商，例如Comcast是美国的大型运营商之一，其机顶盒产品主要是为自己的运营服务。其他的很多厂商则喜欢开放的系统，可以连接到任何设备。所以还要看其最终的商业计划和最终的功能配置。 联网照明新品竞相登场 联网照明市场潜力巨大。因此，诸如Amazon的Echo等许多新产品都涉及到了联网照明。从过去12个月获得zigbee认证的新设备数量来看，第一大类就是zigbee联网照明，第二大类是zigbee家庭自动化，两者加起来占总认证数量的75%。联网照明因为发展迅猛，而成为了关注的焦点。 如果深入其中，就会发现照明领域有许多公司(如表2)。从全球联网照明产品发展趋势来看，主要包括照明产品和控制器两部分。表2是联网照明市场上主要公司的信息，有些做商用照明，有些做家用照明(住宅照明)，或者像Philips和Osram等是两者都有。表2最下面的两家公司是做控制器的。 表2说明了这些领先联网照明厂商在zigbee/Thread联盟中扮演的角色，会员(M)在联盟中是一般身份，而董事会成员(B)则可以指导联盟的发展方向。在联盟中，大家都关注zigbee、Thread和Zwave的发展方向，后者是美国的一种Sub-GHz协议，即低于1GHz的私有协议(注：关注Zwave主要不是因为照明，而是用于家庭安防)。 许多照明行业的公司多年来一直涉足zigbee和Thread技术，比如Philips在联盟中非常活跃，它作为zigbee联盟的董事会成员帮助定义了zigbee的规范;Osram也一直支持zigbee，但是它作为Thread联盟的董事会成员而积极致力于基于IP的连接。来自中国厦门的力达信集团(Leedarson)也是zigbee联盟的董事会成员，该公司每年生产和销售了大量照明产品。 目前大家主要的关注点还是zigbee，而Thread相关的发布目前还较少，尽管有许多公司致力于Thread，但是Thread产品还没有实际发货，而zigbee已有非常大的发货量。 因此，zigbee和Thread作为Mesh网络，可以在家里利用路由器来连接各种设备。但照明产品是家庭内部连接的重点，因为一个家庭的各个房间里都有多个照明设备，要连接这些灯泡和设备，就需要有好的Mesh网络。 互通性非常重要 互通性在联网照明中非常重要，因为所有房间只购买一种灯泡的机会很小。所以对于联网照明，各家供应商之间一定要达成协议而建立互操作性。 在过去18个月中，zigbee联盟在中国的发展也很迅速，包括力达信集团在内的四家公司加入zigbee联盟的董事会，另外三家分别是华为、南京物联(WuLian)和白电制造商——美的。此外阿里巴巴也在近期成为了zigbee联盟的会员，这代表了zigbee在中国很受欢迎。 在中国有zigbee China Group(zigbee联盟中国成员组)，由Philips担任主席。前段时间，在全球最大的照明展之一——广州光亚照明展上，zigbee联盟中国成员组组织了包括Silicon Labs公司在内的很多联盟会员去参展，大力推动了联网照明的发展。 多协议共存 现在越来越多的设备中有Wi-Fi和zigbee，或者Wi-Fi和各种语音及视频控制处于同一设备中。所以许多设计中都同时使用了两种协议，Wi-Fi和zigbee的共存是一个非常重要的话题。 Silicon Labs公司就Wi-Fi和zigbee的共存做了长时间的研究和大量测试，将它们放在一个盒子/模块中时，主要有三个问题：第一，这两种协议进入同一个设备后，在有限的空间中相互紧挨着时，射频(radio)部分相互冲突;第二，Wi-Fi的发射功率高达20多甚至30多dBm，其嗓门很大可能会淹没了zigbee;第三，Wi-Fi总是以很高的速度、非常积极地去传输数据，有可能把所有时段都占了，而且Wi-Fi用了很多备用频段。当我们在自己的实验室里做测试时，Wi-Fi总是抢占了绝大多数资源。 在实验室里，Silicon Labs公司与Philips一起来研究带有zigbee和Wi-Fi的接入中心(hub)，Wi-Fi总是抢夺了hub中的zigbee的通信资源，Wi-Fi甚至占有了99%的通信资源，留给zigbee的资源只有1%。这样就有可能造成包的延迟，例如用户在Wi-Fi推送视频时想开灯，因为没有通信资源不能马上响应，从而影响到了用户体验。 解决方案是通过一个仲裁机制让它们之间进行合作，以防出现过多的数据包失效;因此它们之间在共存于一台设备之上时，实现了我在传输数据时告诉你、你也在传输数据时告诉我，然后再通过共享这些数据的机制，从而减少传输失败和重传，或是对彼此的干扰。所以Silicon Labs在Wi-Fi和15.4之间通过3条或者4条板上的连线，在设计中让它们彼此协作(图1)。 这种工作方式类似于手机里的connectivity(连接)芯片中，Wi-Fi和Bluetooth整合在一起的时候。Wi-Fi最重要的是保证QoS(服务质量)。这种协调机制是以软件的方式来实现的。IEEE也有一个802.15.2标准，但它只是一个指导性的标准。所以，Silicon Labs现在把自己的软件提供给联发科技(MTK)和博通等做Wi-Fi热点接入的芯片公司，避免干扰他们的芯片，同时也让双方都能更好的工作。可见只有协调起来，才能使Wi-Fi和zigbee能够共存。 多协议芯片的优势 多协议芯片的成本比3个单独的芯片加起来要便宜很多，因为在多协议芯片中不同的协议可以共用同一个Flash和Memory。因此，Silicon Labs的很多客户都是快速转向多协议芯片，因为一方面的优势是可以提升用户体验，另一方面的优势是开发便利性，因为用户可以在一个芯片上开发一次，就可以针对不同的应用去做最终的产品。 多协议芯片还有很多新的应用，例如同一个片上的Flash可以用来在不同时候运行不同的协议。诸如在配置一个芯片时，芯片一开始就有蓝牙的协议栈，你用自己的手机用蓝牙下载软件去配置Thread等功能，配置完之后就可以以Thread协议栈重启，所以通过使用同一个存储器而不会产生额外的成本，可以从蓝牙开始而实现了Thread的开发;如果我们要重新开发，那么只需要重新加载蓝牙协议栈;这样我们既可以实现用zigbee去控制灯泡，也可以实现信标(beacon)的功能。 据悉，Silicon Labs的多协议芯片有两种共享的方式，一是可切换的方式，可以根据需求去进行重启和载入;另一种是动态性转换，可以通过软件在工作时即时进行两种协议的转换。 当前，多协议芯片非常受欢迎，因为就用户体验而言，开发的复杂程度会大大降低。 软件在IoT芯片中的重要性 市面上有很多无线芯片与MCU(微控制器)公司，但是Silicon Labs似乎对软件更重视，原因是什么? Skip Ashton称，设计这种多协议产品还是很有挑战性的，包括怎么在实际使用时用软件去切换射频，怎么用软件去调用不同的协议栈，怎么去设定安全性指标等等。实际上，正是因为Silicon Labs的IoT部门是从软件团队起家的(原来在Ember公司)，所以能够很好地应对这个挑战。但是对于传统的半导体公司，这个过程中要解决的困难还是挺多的，需要在实际运行中切换协议栈，这对于许多大型半导体公司并不是一个容易解决的问题。 传统半导体公司的商业模式是派五个现场应用工程师(FAE)到做接入热点设备的公司，去帮助他们解决问题，把参考方案变成现实的解决方案工作起来，就可以卖出5000万芯片的量。但是对于做物联网芯片的公司很难，因为必须卖给上百家应用公司，每家可能只能卖出100万芯片。而且从软件的角度来看，每一家的问题都各不相同。FAE可以在现场解决各种问题，但是不能把工程师派到每家客户那里。因此物联网时代，更多是要靠软件来自我优化，而不是靠更多的工程师去现场提供支持。 |
