触动智能互联照明的开关

2017-07-31MattMaupin

单片机与嵌入式系统应用 2017年7期

触动智能互联照明的开关

Silicon Labs 物联网产品资深产品经理 Matt Maupin

在本文中，将探讨快速成熟的智能照明市场，并研究推动消费者向家庭自动化发展的一些驱动因素;还会探讨伴随无线照明连接性产生的特定设计挑战，以及开发人员如何利用最新技术满足不断增长的需求。

重新构思灯泡

在大约140年前，托马斯·爱迪生申请了第一项关于“Improvement in Electric Lights”的专利，其中描述了使用碳丝作为白炽灯导体以限制发热，从而使电灯可以长时间持续照亮。那时，主要的设计问题是如何不让原型燃烧起来，而今天，照明几乎被认为是理所当然的事情，这之间显然发生了巨大变化。

在爱迪生取得重大成就之后的140年间，照明领域最具突破性的进步之一便是LED的发明。如今的LED，尤其是互联LED，带有一些附加功能，如颜色选择。此外，LED每单位瓦特所发出的流明数高于传统白炽灯泡，从而大幅降低能耗,而且LED的能效不受尺寸的影响。然而，由于连接性需求，所有这种控制都为用户带来了全新的复杂性。

设想一下，下班回家，在您走进家门之前，灯便已打开。抑或在清晨，卧室照明通过逐渐调节床头灯的颜色和亮度，在一小时内慢慢将您唤醒。

如今，虽然LED照明是一项价值300亿美元的全球产业，却仍未跨越鸿沟，成为主流照明。目前，彩色互联灯泡的成本约为每只50美元，而美国家庭平均有40个灯座。花费近2 000美元购置灯泡对任何人来说都不利于推广，可能只有最热忱的早期尝鲜者愿意接纳。LED灯价格一直在下跌，2014年，一只标准LED灯泡的价格为25美元，但现在仅为2美元。价格下跌为供应商创造了差异化的机会。

互联照明的优势

目前有三大主要优势正在推动互联照明的采用：便捷性、智能和数据分析。照明是重要的环境因素，对人们的日常生活有着重要影响。例如，在办公环境中，照明通常为静态，因此不会变化。灯要么打开，要么关闭。打开时，房间内充满荧光，这种光线有利于阅读，但并不适合盯着电脑屏幕看。如果可以相应地调节环境照明以适合当前工作，将会十分方便，这一愿望现已成为现实。智能照明以及智能化和传感器的使用也让用户有机会了解到入住数据等信息，或监控室内状况、温度，甚至流量模式。最后，智能LED可提供与位置和空间利用相关的分析功能。例如，LED可用于确定楼宇内利用率最高的区域或提供有关仓库空间使用效率的反馈。

大多数人会选择在家中安装少量互联LED，以逐步迈入智能照明时代。除了改变输出的本质，智能照明以及随之产生的连接性为住宅带来了大量好处。无论身在何处，用户都可以利用无线监控和控制能力来控制能源使用。此外，智能和数据分析也带来附加价值，不仅可以让消费者实时查看能量消耗情况，还能够通过移动设备控制智能物件，更增添了占位和环境条件传感器等先进功能，这样无需用户采取任何操作，环境便能够自发作出响应。在更加智能地控制照明方面，占位、环境光线、甚至温度传感器都起到重要作用。在室内无人时关闭灯具真的只是冰山一角。

基于位置的照明也是新出现的便利功能。该理念利用灯光来判断人的位置或占位情况，存在灯光表示有活动进行，人们通常聚集在有灯光的地方。由于灯具是固定的，在工业、商业，甚至一些户外场所(如停车场和城市中心)通常均匀地间隔开，因此能够完美地照射人所在的位置。在灯具内集成定位功能的使用案例十分常见，最简单的形式是将灯具的健康状况与位置相结合，人们可以预防性地确定该灯具的维护时间，从而节省时间与资金。利用传感器或Bluetooth信标等技术可准确判断一个人的位置。

使用通过聚合不同时间和空间的数据得到的信息，可确定仓库、超市甚至停车场的空间利用效率。这类数据的另一个使用案例是零售商可以根据购物者的位置选择性地促销产品。

新兴市场趋势

安全性正逐渐成为物联网设备普遍面临的问题，照明也不例外。系统的好坏取决于其最薄弱的环节。但由谁来保证系统的安全呢？安全性不应被视为在开发周期结束时可实现的功能，而应该贯穿于整个过程。

这些无线系统十分复杂，而工程师的工作重点在于设计出有效的产品，因此很容易变得固执，不惜牺牲其他考虑因素去追求有效性。有一种强大的系统化方法可减少这些危险，帮助团队集中精力投入其专业领域方面。

好消息是，目前已有可大幅提高智能照明系统安全性的工具。

创新已不算是挑战，真正的挑战是以正确的方式学习如何使用技术。例如，在Bluetooth或ZigBee芯片上关闭安全性功能可简化开发并方便调试。这也可能会拉低零件价格，因此在禁用安全性方面，可能存在一些成本诱因。另一个常见错误是，在芯片投入生产时未关闭调试接口。如果最终用户连接调试程序，芯片会变得完全透明。取消安全性可能带来短期利益，但会产生远远超出这些利益的长期代价。

服务于智能照明市场的每个人，从芯片设计者到消费性设备制造商，都需要共同承担起责任。目前，并没有真正的激励因素让每个人承担更多的责任作为自己工作的一部分。当发生严重的攻击时，后果不仅仅是收入流失或对单个品牌造成损害。失去消费者的信任可造成市场长期萎缩。与任何技术一样，用户体验至关重要，如果因为这些个别的，却但广为人知的失败而让消费者缺乏安全感，那么人们在购买时就会变得犹豫。长期不安全的设备可能会引发行业监管或认证。

多协议连接性的设计要求和优势

在考虑智能照明系统时，以下因素是关键的高层次需求：低成本、小尺寸、产品寿命较长、严格的监管要求、工作温度较高(125 ℃)、灵活的连接性(多协议)、安全、适应未来需求(无线更新)。

多协议的灵活性与易用性正逐渐成为竞争优势，可提供更好的用户体验和增强的使用案例，可以是简单地对ZigBee进行Bluetooth调试，也可以是同时运行ZigBee或Thread和Bluetooth。

可编程多协议

最基本的多协议支持必须包括芯片组，当使用合适的软件协议栈进行编程时，该芯片组可运行任意数量的无线协议。能够在生产中对芯片进行编程以支持Bluetooth Smart或ZigBee或Thread或一些专有协议，这意味着制造商可简化其硬件设计并快速应对不同市场。对于所有其他多协议使用案例而言，通过不同软件映像支持多个协议的芯片平台是基本前提。

切换的多协议

对于任何多协议平台而言，下一步是在现场部署设备后，能够通过引导装载新的固件映像来更改所支持的无线协议。我们将会看到，这需要一些基础构建模块，但却为适应未来需求的现有产品创造了大量机会，包括利用智能手机连接性来简化和保护部署ZigBee、Thread 设备加入无线网络。

图 1

图 2

动态多协议

最终，任何多协议解决方案都必须解决利用时间分片机制在协议之间共享射频，从而实现在一个芯片上共同运行多个无线协议的可能性，如此开辟出更多使用案例，尤其是当Bluetooth Smart与其他无线协议结合使用时。在这些使用案例中，最简单的情况包括在通常运行ZigBee、Thread或一些其他无线协议的设备上定期使用Bluetooth信标。

例如，在零售照明网络等网状网络旁边使用Bluetooth信标以启用近程感知应用。如果零售商店配备受ZigBee控制的照明系统，则已启用ZigBee的照明装置也可用来定期传输Bluetooth信标。由于灯具往往在整个区域内均匀间隔开，因此商店内的照明不仅能以理想的方式提供照明，还能够根据这些位置将信息传输到设备。

图 3

Bluetooth信标用于通知设备的存在和服务。通过使用定期接收到的数据包所收到的信号强度(RSSI)测量结果，移动设备可以测定其与任何指定信标的距离，并判定其在靠近信标还是远离信标。通过监控多个信标，可以准确了解移动设备在商店内的位置。在零售商店环境的示例中，Bluetooth信标可用于提供优惠券以及与购物者所处店内位置相关的定制优惠。商店会为购物者提供智能手机应用，通过监控商店各处照明装置发出的信标，该应用可提供位置相关信息并根据附近的产品与服务打造交互式用户体验。

图 4

并发多协议

从本质上来说，这是一种特殊类型的动态多协议。对于共享相同MAC和PHY的多个无线协议，有可能避免在不同的PHY或调制之间切换射频。尤其是，如果ZigBee和Thread都位于IEEE 802.15.4 2.4 GHz MAC/PHY，就有机会共享该PHY，并在一台设备上同时高效运行这两个协议栈，因为射频始终可用于这两个协议栈。在相同网络内的ZigBee和Thread之间进行路由可能带来非常有意义的前景。

该使用案例和其他动态使用案例之间的区别在于，由于射频协议或参数没有变化，用户离开网络时没有数据包丢失，因此尽管有两个网络/协议共享带宽，用户仍然不能同时接收 ZigBee数据包和Thread数据包，但普通CCA机制可用于避免冲突。

同步多协议

真正的同步操作的确需要两个射频，尤其是当不同协议使用不同的无线电频率时。如果应用和网络协议栈可在两个甚至可能使用完全不同频率范围的射频之间操作，这将产生极大的价值。这方面的一个示例为英国的智能电表，英国政府将在2020年之前为 3 000 万户房屋部署双PHY ZigBee 通信集线器，从而实现家域网，其中包括2.4 GHz ZigBee 设备和1 GHz以下的ZigBee 设备(在863～876、915～921 MHz 条件下工作)，这些设备保持在相同逻辑PAN上并通过通信集线器在不同无线电频率的设备之间路由流量。