15.4無線和軟件助力照明等家庭聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

作者/ 迎九 《電子產(chǎn)品世界》

摘要：聯(lián)網(wǎng)照明是智能家庭的一個重要市場。聯(lián)網(wǎng)照明很復(fù)雜，需要可靠性、互通性和安全性，802.15.4等無線技術(shù)與軟件定義將助力這個市場實現(xiàn)。

聯(lián)網(wǎng)照明市場

　　聯(lián)網(wǎng)智能照明也許是智能家居市場的一個殺手級應(yīng)用。據(jù)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(fā)現(xiàn)自己的競爭優(yōu)勢，例如Philips做的產(chǎn)品是價格相對較高的高質(zhì)量的多光照功能產(chǎn)品，消費者可以把這種燈具放在廚房等地，可以控制燈泡與音樂協(xié)同產(chǎn)生不同顏色而產(chǎn)生聚會的感覺。而宜家是做更低成本的，可以適用于更大量的消費人群，其產(chǎn)品不能隨著音樂調(diào)節(jié)顏色，也沒有像Philips產(chǎn)品那樣需要控制網(wǎng)關(guān)，但是價格非常低。

　　此外，在智能家居應(yīng)用中，有的人喜歡智能門鎖，有的人喜歡智能調(diào)溫器，首先就是讓這些設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，同時還要能夠良好工作。

軟件定義無線電

　　物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(dǎo)體公司認(rèn)為自己的產(chǎn)品是芯片，但如果把芯片和軟件封裝在一起會變得非常強(qiáng)大，因為無線產(chǎn)品的特點之一就是軟件解決方案。

聯(lián)網(wǎng)照明的復(fù)雜性

　　聯(lián)網(wǎng)照明是物聯(lián)網(wǎng)中一個日漸活躍的應(yīng)用。燈泡廠家很擅長于結(jié)合各種玻璃和發(fā)光二極管(LED)等微電子技術(shù)來制造各種燈泡，但是往往對于嵌入式網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)及無線連接等并不那么在行。當(dāng)他們在設(shè)計無線照明開關(guān)時，沒有足夠多的技能來應(yīng)對嵌入式軟件和無線連接方面的挑戰(zhàn)，所以半導(dǎo)體公司必須提供更完善的解決方案，而且它們必須是易于使用的。

　　這背后實現(xiàn)起來很復(fù)雜。因為照明和手機(jī)、電腦的的使用體驗不同。作為照明用戶，當(dāng)你使用電燈開關(guān)時很簡單，希望撥動開關(guān)燈光就發(fā)生變化，否則就認(rèn)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(wǎng)絡(luò)連接有問題。但手機(jī)和電腦并不這樣，手機(jī)和電腦如果是因為網(wǎng)絡(luò)連接引起的中斷，大家都可以接受。因此，現(xiàn)在使用聯(lián)網(wǎng)照明，用戶仍然希望隨時都可以立即啟用。所以聯(lián)網(wǎng)照明就是在針對最簡單的設(shè)備去做最復(fù)雜的工作，去實現(xiàn)非常高的可靠性。

　　這也是物聯(lián)網(wǎng)市場成長過程中要面臨的一個挑戰(zhàn)，即如何用設(shè)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(jī)界面。

　　而對于芯片廠商而言，就必須要提供芯片模組以及開發(fā)工具和軟件，來助力實現(xiàn)這一切，并在出現(xiàn)問題時幫助分析原因和解決問題。比如，以前打開開關(guān)燈泡不亮?xí)r，就會問是燈泡壞了還是電路有問題;而現(xiàn)在就是要幫助客戶進(jìn)行全面分析，是否是網(wǎng)絡(luò)沒有把信息送到開關(guān)之上，還是遇到了安全性問題，也就是我們要幫助客戶去搞清楚網(wǎng)絡(luò)到底是否在良好地工作。

低成本需求

　　物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品必須降低成本，因為消費者需要將連接功能集成到產(chǎn)品中。例如LED燈泡，幾年前大概要賣50美元/個，而今天已經(jīng)降到50元人民幣了?？梢娤陆档乃俣群芸臁Ｈ绻鸏ED燈泡做到3美元/個，再加2美元物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)走向上億級出貨和實現(xiàn)普及面臨的障礙之一，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(shù)量，從而使制造商降低物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的總成本。

802.15.4 zigbee/Thread無線連接升溫

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

　　目前看，如果一家制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。

　　但是對于許多設(shè)備，Wi-Fi并不是合理的連接，所以還需要跟蹤其他可以支持這些設(shè)備的協(xié)議。比如在聯(lián)網(wǎng)照明領(lǐng)域中，Philips公司用zigbee來為其非常成功的燈泡產(chǎn)品提供連接，其他廠商諸如Osram等也做出了同樣的選擇。在機(jī)頂盒等其他領(lǐng)域內(nèi)，也有諸如Comcast等很多領(lǐng)先的公司選擇了zigbee到以太網(wǎng)、zigbee到Wi-Fi等方式。那么，這對每個人的家里意味著什么呢?

　　為了去連接互聯(lián)網(wǎng)，每個家庭里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，還有用于其他智能控制的盒子。這會使用戶感到困擾和麻煩。

　　當(dāng)然，在美國的家用市場中，這些設(shè)備正在提供更多樣化的連接。最典型的有三類設(shè)備可提供連接：1.運營商提供的接入設(shè)備，諸如機(jī)頂盒、家用路由器;2.Wi-Fi熱點類設(shè)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、音視頻接入和控制產(chǎn)品，比如Amazon的Alexa這類產(chǎn)品，購買的原因是為了一些服務(wù)。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。

　　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(lián)邦通信委員會(FCC)對接入設(shè)備進(jìn)行公告的信息，以及盒子廠商注冊時的產(chǎn)品信息可列出表1。

　　從表1可見，服務(wù)提供商的機(jī)頂盒等寬帶接入盒子已經(jīng)具備了15.4連接功能。如Verizon最新的Fios機(jī)頂盒提供光纖到戶寬帶連接;領(lǐng)先服務(wù)提供商Comcast提供的家用接入終端，除了能夠接入寬帶網(wǎng)絡(luò)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(shù)來提供zigbee或者Thread連接?？梢姡S多運營商已經(jīng)為機(jī)頂盒或者寬帶網(wǎng)關(guān)提供了15.4連接功能。

　　表1中列是在家里用于Wi-Fi覆蓋的設(shè)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(chǎn)品中，在網(wǎng)狀網(wǎng)Wi-Fi功能之外加上了15.4連接能力。又如高通于2017年5月底在Computex展會上宣布做了一個參考設(shè)計，把Wi-Fi、Bluetooth再加15.4(本來就是Mesh)這三種協(xié)議結(jié)合在一起，做成了一個接入設(shè)備參考平臺，提供給硬件設(shè)備生產(chǎn)商來采用。

　　最右側(cè)是音視頻控制設(shè)備，如Nest的控制器、溫控器或者攝像頭都在走向無線，都具有15.4無線連接而成為家里的15.4路由匯集中心。

　　可見，現(xiàn)在各廠商都在做更高的集成，因而可以取代多種設(shè)備，家里就沒有這么多盒子了。雖然還不一定發(fā)現(xiàn)15.4連接，但是這些產(chǎn)品除了提供Wi-Fi以外，現(xiàn)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、阿里巴巴等網(wǎng)絡(luò)商，都很想把觸角深入到家庭，而不只是在電視、電腦和手機(jī)平臺上，他們也很關(guān)注把zigbee帶入到家庭里面去。大家都在找新的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　這樣的好處是，這些廠商在進(jìn)入智能家居市場時，因為其設(shè)備已經(jīng)具備了15.4功能，所以就沒有額外的成本和更大的復(fù)雜性。當(dāng)然，最終以什么方式進(jìn)入不同的垂直生態(tài)，這取決于不同的運營商，例如Comcast是美國的大型運營商之一，其機(jī)頂盒產(chǎn)品主要是為自己的運營服務(wù)。其他的很多廠商則喜歡開放的系統(tǒng)，可以連接到任何設(shè)備。所以還要看其最終的商業(yè)計劃和最終的功能配置。

聯(lián)網(wǎng)照明

　　聯(lián)網(wǎng)照明市場潛力巨大。因此，諸如Amazon的Echo等許多新產(chǎn)品都涉及到了聯(lián)網(wǎng)照明。從過去12個月獲得zigbee認(rèn)證的新設(shè)備數(shù)量來看，第一大類就是zigbee聯(lián)網(wǎng)照明，第二大類是zigbee家庭自動化，兩者加起來占總認(rèn)證數(shù)量的75%。聯(lián)網(wǎng)照明因為發(fā)展迅猛，而成為了關(guān)注的焦點。

　　如果深入其中，就會發(fā)現(xiàn)照明領(lǐng)域有許多公司(如表2)。從全球聯(lián)網(wǎng)照明產(chǎn)品發(fā)展趨勢來看，主要包括照明產(chǎn)品和控制器兩部分。表2是聯(lián)網(wǎng)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最下面的兩家公司是做控制器的。

　　表2說明了這些領(lǐng)先聯(lián)網(wǎng)照明廠商在zigbee/Thread聯(lián)盟中扮演的角色，會員(M)在聯(lián)盟中是一般身份，而董事會成員(B)則可以指導(dǎo)聯(lián)盟的發(fā)展方向。在聯(lián)盟中，大家都關(guān)注zigbee、Thread和Zwave的發(fā)展方向，后者是美國的一種Sub-GHz協(xié)議，即低于1GHz的私有協(xié)議(注：關(guān)注Zwave主要不是因為照明，而是用于家庭安防)。

　　許多照明行業(yè)的公司多年來一直涉足zigbee和Thread技術(shù)，比如Philips在聯(lián)盟中非常活躍，它作為zigbee聯(lián)盟的董事會成員幫助定義了zigbee的規(guī)范;Osram也一直支持zigbee，但是它作為Thread聯(lián)盟的董事會成員而積極致力于基于IP的連接。來自中國廈門的力達(dá)信集團(tuán)(Leedarson)也是zigbee聯(lián)盟的董事會成員，該公司每年生產(chǎn)和銷售了大量照明產(chǎn)品。

　　目前大家主要的關(guān)注點還是zigbee，而Thread相關(guān)的發(fā)布目前還較少，盡管有許多公司致力于Thread，但是Thread產(chǎn)品還沒有實際發(fā)貨，而zigbee已有非常大的發(fā)貨量。

　　因此，zigbee和Thread作為Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以在家里利用路由器來連接各種設(shè)備。但照明產(chǎn)品是家庭內(nèi)部連接的重點，因為一個家庭的各個房間里都有多個照明設(shè)備，要連接這些燈泡和設(shè)備，就需要有好的Mesh網(wǎng)絡(luò)。

互通性非常重要

　　互通性在聯(lián)網(wǎng)照明中非常重要，因為所有房間只購買一種燈泡的機(jī)會很小。所以對于聯(lián)網(wǎng)照明，各家供應(yīng)商之間一定要達(dá)成協(xié)議而建立互操作性。

　　在過去18個月中，zigbee聯(lián)盟在中國的發(fā)展也很迅速，包括力達(dá)信集團(tuán)在內(nèi)的四家公司加入zigbee聯(lián)盟的董事會，另外三家分別是華為、南京物聯(lián)(WuLian)和白電制造商——美的。此外阿里巴巴也在近期成為了zigbee聯(lián)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(lián)盟中國成員組)，由Philips擔(dān)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(lián)盟中國成員組組織了包括Silicon Labs公司在內(nèi)的很多聯(lián)盟會員去參展，大力推動了聯(lián)網(wǎng)照明的發(fā)展。

多協(xié)議共存

　　現(xiàn)在越來越多的設(shè)備中有Wi-Fi和zigbee，或者Wi-Fi和各種語音及視頻控制處于同一設(shè)備中。所以許多設(shè)計中都同時使用了兩種協(xié)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(xié)議進(jìn)入同一個設(shè)備后，在有限的空間中相互緊挨著時，射頻(radio)部分相互沖突;第二，Wi-Fi的發(fā)射功率高達(dá)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(shù)據(jù)，有可能把所有時段都占了，而且Wi-Fi用了很多備用頻段。當(dāng)我們在自己的實驗室里做測試時，Wi-Fi總是搶占了絕大多數(shù)資源。

　　在實驗室里，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的資源只有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(yīng)，從而影響到了用戶體驗。

　　解決方案是通過一個仲裁機(jī)制讓它們之間進(jìn)行合作，以防出現(xiàn)過多的數(shù)據(jù)包失效;因此它們之間在共存于一臺設(shè)備之上時，實現(xiàn)了我在傳輸數(shù)據(jù)時告訴你、你也在傳輸數(shù)據(jù)時告訴我，然后再通過共享這些數(shù)據(jù)的機(jī)制，從而減少傳輸失敗和重傳，或是對彼此的干擾。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(shè)計中讓它們彼此協(xié)作(圖1)。

　　這種工作方式類似于手機(jī)里的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(wù)質(zhì)量)。這種協(xié)調(diào)機(jī)制是以軟件的方式來實現(xiàn)的。IEEE也有一個802.15.2標(biāo)準(zhǔn)，但它只是一個指導(dǎo)性的標(biāo)準(zhǔn)。所以，Silicon Labs現(xiàn)在把自己的軟件提供給聯(lián)發(fā)科技(MTK)和博通等做Wi-Fi熱點接入的芯片公司，避免干擾他們的芯片，同時也讓雙方都能更好的工作?？梢娭挥袇f(xié)調(diào)起來，才能使Wi-Fi和zigbee能夠共存。

多協(xié)議芯片的優(yōu)勢

　　多協(xié)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(xié)議芯片中不同的協(xié)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(zhuǎn)向多協(xié)議芯片，因為一方面的優(yōu)勢是可以提升用戶體驗，另一方面的優(yōu)勢是開發(fā)便利性，因為用戶可以在一個芯片上開發(fā)一次，就可以針對不同的應(yīng)用去做最終的產(chǎn)品。

　　多協(xié)議芯片還有很多新的應(yīng)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(xié)議。諸如在配置一個芯片時，芯片一開始就有藍(lán)牙的協(xié)議棧，你用自己的手機(jī)用藍(lán)牙下載軟件去配置Thread等功能，配置完之后就可以以Thread協(xié)議棧重啟，所以通過使用同一個存儲器而不會產(chǎn)生額外的成本，可以從藍(lán)牙開始而實現(xiàn)了Thread的開發(fā);如果我們要重新開發(fā)，那么只需要重新加載藍(lán)牙協(xié)議棧;這樣我們既可以實現(xiàn)用zigbee去控制燈泡，也可以實現(xiàn)信標(biāo)(beacon)的功能。

　　據(jù)悉，Silicon Labs的多協(xié)議芯片有兩種共享的方式，一是可切換的方式，可以根據(jù)需求去進(jìn)行重啟和載入;另一種是動態(tài)性轉(zhuǎn)換，可以通過軟件在工作時即時進(jìn)行兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

　　當(dāng)前，多協(xié)議芯片非常受歡迎，因為就用戶體驗而言，開發(fā)的復(fù)雜程度會大大降低。

軟件在物聯(lián)網(wǎng)芯片中的重要性

　　市面上有很多無線芯片與MCU(微控制器)公司，但是Silicon　Labs似乎對軟件更重視，原因是什么?

　　Silicon Labs軟件業(yè)務(wù)副總裁Skip Ashton稱，設(shè)計這種多協(xié)議產(chǎn)品還是很有挑戰(zhàn)性的，包括怎么在實際使用時用軟件去切換射頻，怎么用軟件去調(diào)用不同的協(xié)議棧，怎么去設(shè)定安全性指標(biāo)等等。實際上，正是因為Silicon Labs的IoT部門是從軟件團(tuán)隊起家的(原來在Ember公司)，所以能夠很好地應(yīng)對這個挑戰(zhàn)。但是對于傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(xié)議棧，這對于許多大型半導(dǎo)體公司并不是一個容易解決的問題。

　　傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司的商業(yè)模式是派五個現(xiàn)場應(yīng)用工程師(FAE)到做接入熱點設(shè)備的公司，去幫助他們解決問題，把參考方案變成現(xiàn)實的解決方案工作起來，就可以賣出5000萬芯片的量。但是對于做物聯(lián)網(wǎng)芯片的公司很難，因為必須賣給上百家應(yīng)用公司，每家可能只能賣出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(xiàn)場解決各種問題，但是不能把工程師派到每家客戶那里。因此物聯(lián)網(wǎng)時代，更多是要靠軟件來自我優(yōu)化，而不是靠更多的工程師去現(xiàn)場提供支持。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第8期第18頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。