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聯網照明如此複雜 該如何才能實現?

  聯網照明是智能家庭的一個重要市場。然而,應用看似簡單的聯網照明,落實設計其實很複雜,需要可靠性、互通性和安全性,IEEE 802.15.4等無線技術與軟件定義將助力這個市場實現。對此,Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)軟件業務副總裁Skip Ashton先生近期接受行業媒體專訪,針對聯網照明及相關無線多協議技術與應用發展趨勢進行詳細的介紹與說明。

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Silicon Labs軟件業務副總裁Skip Ashton先生

  聯網照明市場

  聯網智能照明也許是智能家居市場的一個殺手級應用。據Silicon Labs介紹,其zigbee生意過去幾年每年的增長率都在40%~50%,智能照明是其中很重要的部分。

  在照明市場上,每家客戶公司都爭取在發現自己的競爭優勢,例如Philips做的產品是價格相對較高的高質量的多光照功能產品,消費者可以把這種燈具放在廚房等地,可以控製燈泡與音樂協同產生不同顏色而產生聚會的感覺。而宜家是做更低成本的,可以適用於更大量的消費人群,其產品不能隨著音樂調節顏色,也沒有像Philips產品那樣需要控製網關,但是價格非常低。

  此外,在智能家居應用中,有的人喜歡智能門鎖,有的人喜歡智能調溫器,首先就是讓這些設備聯入網絡,同時還要能夠良好工作。

  軟件定義無線

  物聯網產品中非常有趣的事情是很多解決方案依靠的是軟件。不過,大部分半導體公司認為自己的產品是芯片,但如果把芯片和軟件封裝在一起會變得非常強大,因為無線產品的特點之一就是軟件解決方案。

  聯網照明的複雜性

  聯網照明是物聯網中一個日漸活躍的應用。燈泡廠家很擅長於結合各種玻璃和發光二極管(LED)等微電子技術來製造各種燈泡,但是往往對於嵌入式網狀網(Mesh)及無線連接等並不那麽在行。當他們在設計無線照明開關時,沒有足夠多的技能來應對嵌入式軟件和無線連接方麵的挑戰,所以半導體公司必須提供更完善的解決方案,而且它們必須是易於使用的。

  這背後實現起來很複雜。因為照明和手機、電腦的的使用體驗不同。作為照明用戶,當你使用電燈開關時很簡單,希望撥動開關燈光就發生變化,否則就認為是電燈泡壞了。在這種判斷中沒有其他選擇,大家不會去猜想其中原因是否是因為網絡連接有問題。但手機和電腦並不這樣,手機和電腦如果是因為網絡連接引起的中斷,大家都可以接受。因此,現在使用聯網照明,用戶仍然希望隨時都可以立即啟用。所以聯網照明就是在針對最簡單的設備去做最複雜的工作,去實現非常高的可靠性。這也是物聯網市場成長過程中要麵臨的一個挑戰,即如何用設備的行為來取悅用戶。除了隨時可用,還有語音和觸控等人機界麵。

  而對於芯片廠商而言,就必須要提供芯片模組以及開發工具和軟件,來助力實現這一切,並在出現問題時幫助分析原因和解決問題。比如,以前打開開關燈泡不亮時,就會問是燈泡壞了還是電路有問題;而現在就是要幫助客戶進行全麵分析,是否是網絡沒有把信息送到開關之上,還是遇到了安全性問題,也就是AG8亚游要幫助客戶去搞清楚網絡到底是否在良好地工作。

  低成本需求

  物聯網產品必須降低成本,因為消費者需要將連接功能集成到產品中。例如LED燈泡,幾年前大概要賣50美元/個,而今天已經降到50元人民幣了。可見下降的速度很快。如果LED燈泡做到3美元/個,再加2美元物聯網的部分,這才是較為合理的。

  因為盡管人們需要連接功能,但是對其中帶來的成本增加還是非常敏感的。這是物聯網走向上億級出貨和實現普及麵臨的障礙之一,所以成本必須要降下來。這促使芯片公司去做更多的集成,把傳感器、MCU、RF,甚至電源管理全部都集成在一個芯片上,以減少元器件的數量,從而使製造商降低物聯網產品的總成本。

  802.15.4 zigbee/Thread無線連接升溫

  市場上有多協議SoC,所以包括非常實用的15.4zigbee/Thread連接,也有藍牙、Wi-Fi等連接能力。現在的關鍵問題是消費者更喜歡用哪種協議?如何使用它們呢?

  目前看,如果一家製造商為家庭用戶提供無線連接,最直接和安全的選擇就是Wi-Fi。但是對於許多設備,Wi-Fi並不是合理的連接,所以還需要跟蹤其他可以支持這些設備的協議。比如在聯網照明領域中,Philips公司用zigbee來為其非常成功的燈泡產品提供連接,其他廠商諸如Osram等也做出了同樣的選擇。在機頂盒等其他領域內,也有諸如Comcast等很多領先的公司選擇了zigbee到以太網、zigbee到Wi-Fi等方式。那麽,這對每個人的家裏意味著什麽呢?

  為了去連接互聯網,每個家庭裏都有很多盒子來作為連接匯聚點(Hub),例如Philips的盒子、Osram的盒子,還有用於其他智能控製的盒子。這會使用戶感到困擾和麻煩。

  當然,在美國的家用市場中,這些設備正在提供更多樣化的連接。最典型的有三類設備可提供連接:1.運營商提供的接入設備,諸如機頂盒、家用路由器;2.Wi-Fi熱點類設備,它們也許是由運營商提供,也許是為了更好的覆蓋而自行購買;3.語音、音視頻接入和控製產品,比如Amazon的Alexa這類產品,購買的原因是為了一些服務。同時,其中有些又提供連接功能,雖然這不是消費者購買的主要原因。

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  首先來看不同廠商的盒子。從過去6個月(2016年12月到2017年5月)美國聯邦通信委員會(FCC)對接入設備進行公告的信息,以及盒子廠商注冊時的產品信息可列出表1。

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  從表1可見,服務提供商的機頂盒等寬帶接入盒子已經具備了15.4連接功能。如Verizon最新的Fioses機頂盒提供光纖到戶寬帶連接;領先服務提供商Comcast提供的家用接入終端,除了能夠接入寬帶網絡以外,還帶有15.4這樣的連接功能;還有Dell的Edge Gateway等都有15.4技術來提供zigbee或者Thread連接。可見,許多運營商已經為機頂盒或者寬帶網關提供了15.4連接功能。

  表1中列是在家裏用於Wi-Fi覆蓋的設備,主要廠商如Linksys、TP-Link、Google和三星(Samsung)等都在其為美國市場提供的產品中,在網狀網Wi-Fi功能之外加上了15.4連接能力。又如高通於2017年5月底在Computex展會上宣布做了一個參考設計,把Wi-Fi、Bluetooth再加15.4(本來就是Mesh)這三種協議結合在一起,做成了一個接入設備參考平台,提供給硬件設備生產商來采用。

  最右側是音視頻控製設備,如Nest的控製器、溫控器或者攝像頭都在走向無線,都具有15.4無線連接而成為家裏的15.4路由匯集中心。

  可見,現在各廠商都在做更高的集成,因而可以取代多種設備,家裏就沒有這麽多盒子了。雖然還不一定發現15.4連接,但是這些產品除了提供Wi-Fi以外,現在還提供zigbee連接。

  在中國也一樣,無論是電視運營商,還是騰訊、阿裏巴巴等網絡商,都很想把觸角深入到家庭,而不隻是在電視、電腦和手機平台上,他們也很關注把zigbee帶入到家庭裏麵去。大家都在找新的應用領域。

  這樣的好處是,這些廠商在進入智能家居市場時,因為其設備已經具備了15.4功能,所以就沒有額外的成本和更大的複雜性。當然,最終以什麽方式進入不同的垂直生態,這取決於不同的運營商,例如Comcast是美國的大型運營商之一,其機頂盒產品主要是為自己的運營服務。其他的很多廠商則喜歡開放的係統,可以連接到任何設備。所以還要看其最終的商業計劃和最終的功能配置。

  聯網照明新品競相登場

  聯網照明市場潛力巨大。因此,諸如Amazon的Echo等許多新產品都涉及到了聯網照明。從過去12個月獲得zigbee認證的新設備數量來看,第一大類就是zigbee聯網照明,第二大類是zigbee家庭自動化,兩者加起來占總認證數量的75%。聯網照明因為發展迅猛,而成為了關注的焦點。

  如果深入其中,就會發現照明領域有許多公司(如表2)。從全球聯網照明產品發展趨勢來看,主要包括照明產品和控製器兩部分。表2是聯網照明市場上主要公司的信息,有些做商用照明,有些做家用照明(住宅照明),或者像Philips和Osram等是兩者都有。表2最下麵的兩家公司是做控製器的。 表2說明了這些領先聯網照明廠商在zigbee/Thread聯盟中扮演的角色,會員(M)在聯盟中是一般身份,而董事會成員(B)則可以指導聯盟的發展方向。在聯盟中,大家都關注zigbee、Thread和Zwave的發展方向,後者是美國的一種Sub-GHz協議,即低於1GHz的私有協議(注:關注Zwave主要不是因為照明,而是用於家庭安防)。

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  許多照明行業的公司多年來一直涉足zigbee和Thread技術,比如Philips在聯盟中非常活躍,它作為zigbee聯盟的董事會成員幫助定義了zigbee的規範;Osram也一直支持zigbee,但是它作為Thread聯盟的董事會成員而積極致力於基於IP的連接。來自中國廈門的力達信集團(Leedarson)也是zigbee聯盟的董事會成員,該公司每年生產和銷售了大量照明產品。

  目前大家主要的關注點還是zigbee,而Thread相關的發布目前還較少,盡管有許多公司致力於Thread,但是Thread產品還沒有實際發貨,而zigbee已有非常大的發貨量。

  因此,zigbee和Thread作為Mesh網絡,可以在家裏利用路由器來連接各種設備。但照明產品是家庭內部連接的重點,因為一個家庭的各個房間裏都有多個照明設備,要連接這些燈泡和設備,就需要有好的Mesh網絡。互通性非常重要

  互通性在聯網照明中非常重要,因為所有房間隻購買一種燈泡的機會很小。所以對於聯網照明,各家供應商之間一定要達成協議而建立互操作性。

  在過去18個月中,zigbee聯盟在中國的發展也很迅速,包括力達信集團在內的四家公司加入zigbee聯盟的董事會,另外三家分別是華為、南京物聯(WuLian)和白電製造商——美的。此外阿裏巴巴也在近期成為了zigbee聯盟的會員,這代表了zigbee在中國很受歡迎。

在中國有zigbee China Group(zigbee聯盟中國成員組),由Philips擔任主席。前段時間,在全球最大的照明展之一——廣州光亞照明展上,zigbee聯盟中國成員組組織了包括Silicon Labs公司在內的很多聯盟會員去參展,大力推動了聯網照明的發展。

  多協議共存

  現在越來越多的設備中有Wi-Fi和zigbee,或者Wi-Fi和各種語音及視頻控製處於同一設備中。所以許多設計中都同時使用了兩種協議,Wi-Fi和zigbee的共存是一個非常重要的話題。

  Silicon Labs公司就Wi-Fi和zigbee的共存做了長時間的研究和大量測試,將它們放在一個盒子/模塊中時,主要有三個問題:第一,這兩種協議進入同一個設備後,在有限的空間中相互緊挨著時,射頻(radio)部分相互衝突;第二,Wi-Fi的發射功率高達20多甚至30多dBm,其嗓門很大可能會淹沒了zigbee;第三,Wi-Fi總是以很高的速度、非常積極地去傳輸數據,有可能把所有時段都占了,而且Wi-Fi用了很多備用頻段。當AG8亚游在自己的實驗室裏做測試時,Wi-Fi總是搶占了絕大多數資源。

  在實驗室裏,Silicon Labs公司與Philips一起來研究帶有zigbee和Wi-Fi的接入中心(hub),Wi-Fi總是搶奪了hub中的zigbee的通信資源,Wi-Fi甚至占有了99%的通信資源,留給zigbee的資源隻有1%。這樣就有可能造成包的延遲,例如用戶在Wi-Fi推送視頻時想開燈,因為沒有通信資源不能馬上響應,從而影響到了用戶體驗。

  解決方案是通過一個仲裁機製讓它們之間進行合作,以防出現過多的數據包失效;因此它們之間在共存於一台設備之上時,實現了我在傳輸數據時告訴你、你也在傳輸數據時告訴我,然後再通過共享這些數據的機製,從而減少傳輸失敗和重傳,或是對彼此的幹擾。所以Silicon Labs在Wi-Fi和15.4之間通過3條或者4條板上的連線,在設計中讓它們彼此協作(圖1)。

  這種工作方式類似於手機裏的connectivity(連接)芯片中,Wi-Fi和Bluetooth整合在一起的時候。Wi-Fi最重要的是保證QoS(服務質量)。這種協調機製是以軟件的方式來實現的。IEEE也有一個802.15.2標準,但它隻是一個指導性的標準。所以,Silicon Labs現在把自己的軟件提供給聯發科技(MTK)和博通等做Wi-Fi熱點接入的芯片公司,避免幹擾他們的芯片,同時也讓雙方都能更好的工作。可見隻有協調起來,才能使Wi-Fi和zigbee能夠共存。

多協議芯片的優勢

  多協議芯片的成本比3個單獨的芯片加起來要便宜很多,因為在多協議芯片中不同的協議可以共用同一個Flash和Memory。因此,Silicon Labs的很多客戶都是快速轉向多協議芯片,因為一方麵的優勢是可以提升用戶體驗,另一方麵的優勢是開發便利性,因為用戶可以在一個芯片上開發一次,就可以針對不同的應用去做最終的產品。

  多協議芯片還有很多新的應用,例如同一個片上的Flash可以用來在不同時候運行不同的協議。諸如在配置一個芯片時,芯片一開始就有藍牙的協議棧,你用自己的手機用藍牙下載軟件去配置Thread等功能,配置完之後就可以以Thread協議棧重啟,所以通過使用同一個存儲器而不會產生額外的成本,可以從藍牙開始而實現了Thread的開發;如果AG8亚游要重新開發,那麽隻需要重新加載藍牙協議棧;這樣AG8亚游既可以實現用zigbee去控製燈泡,也可以實現信標(beacon)的功能。

  據悉,Silicon Labs的多協議芯片有兩種共享的方式,一是可切換的方式,可以根據需求去進行重啟和載入;另一種是動態性轉換,可以通過軟件在工作時即時進行兩種協議的轉換。

  當前,多協議芯片非常受歡迎,因為就用戶體驗而言,開發的複雜程度會大大降低。

軟件在IoT芯片中的重要性

市麵上有很多無線芯片與MCU(微控製器)公司,但是Silicon Labs似乎對軟件更重視,原因是什麽?

  Skip Ashton稱,設計這種多協議產品還是很有挑戰性的,包括怎麽在實際使用時用軟件去切換射頻,怎麽用軟件去調用不同的協議棧,怎麽去設定安全性指標等等。實際上,正是因為Silicon Labs的IoT部門是從軟件團隊起家的(原來在Ember公司),所以能夠很好地應對這個挑戰。但是對於傳統的半導體公司,這個過程中要解決的困難還是挺多的,需要在實際運行中切換協議棧,這對於許多大型半導體公司並不是一個容易解決的問題。

  傳統半導體公司的商業模式是派五個現場應用工程師(FAE)到做接入熱點設備的公司,去幫助他們解決問題,把參考方案變成現實的解決方案工作起來,就可以賣出5000萬芯片的量。但是對於做物聯網芯片的公司很難,因為必須賣給上百家應用公司,每家可能隻能賣出100萬芯片。而且從軟件的角度來看,每一家的問題都各不相同。FAE可以在現場解決各種問題,但是不能把工程師派到每家客戶那裏。因此物聯網時代,更多是要靠軟件來自我優化,而不是靠更多的工程師去現場提供支持。

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