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15.4无线和软件助力照明等家庭联网应用

作者:迎九时间:2017-07-27来源:电子产品世界
编者按:联网照明是智能家庭的一个重要市场。联网照明很复杂,需要可靠性、互通性和安全性,802.15.4等无线技术与软件定义将助力这个市场实现。

作者/ 迎九 《电子产品世界》

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201707/362266.htm

摘要:联网照明是智能家庭的一个重要市场。联网照明很复杂,需要可靠性、互通性和安全性,802.等无线技术与软件定义将助力这个市场实现。

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。

软件定义无线电

  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()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。

  这也是物联网市场成长过程中要面临的一个挑战,即如何用设备的行为来取悦用户。除了随时可用,还有语音和触控等人机界面。

  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. /无线连接升温

  市场上有多协议SoC,所以包括非常实用的 /连接,也有等连接能力。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

  但是对于许多设备,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)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

  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,芯片一开始就有的协议栈,你用自己的手机用下载软件去配置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。

软件在物联网芯片中的重要性

  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?

  Silicon Labs软件业务副总裁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。

  本文来源于《电子产品世界》2017年第8期第18页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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