15.4無(wú)線(xiàn)和軟件助力照明等家庭聯(lián)網(wǎng)應用

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(gè)重要市場(chǎng)。聯(lián)網(wǎng)照明很復雜，需要可靠性、互通性和安全性，802.15.4等無(wú)線(xiàn)技術(shù)與軟件定義將助力這個(gè)市場(chǎng)實(shí)現。

聯(lián)網(wǎng)照明市場(chǎng)

　　聯(lián)網(wǎng)智能照明也許是智能家居市場(chǎng)的一個(gè)殺手級應用。據Silicon Labs介紹，其zigbee生意過(guò)去幾年每年的增長(cháng)率都在40%~50%，智能照明是其中很重要的部分。

　　在照明市場(chǎng)上，每家客戶(hù)公司都爭取在發(fā)現自己的競爭優(yōu)勢，例如Philips做的產(chǎn)品是價(jià)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(lè )協(xié)同產(chǎn)生不同顏色而產(chǎn)生聚會(huì )的感覺(jué)。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(zhù)音樂(lè )調節顏色，也沒(méi)有像Philips產(chǎn)品那樣需要控制網(wǎng)關(guān)，但是價(jià)格非常低。

　　此外，在智能家居應用中，有的人喜歡智能門(mén)鎖，有的人喜歡智能調溫器，首先就是讓這些設備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)還要能夠良好工作。

軟件定義無(wú)線(xiàn)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(guò)，大部分半導體公司認為自己的產(chǎn)品是芯片，但如果把芯片和軟件封裝在一起會(huì )變得非常強大，因為無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的特點(diǎn)之一就是軟件解決方案。

聯(lián)網(wǎng)照明的復雜性

　　聯(lián)網(wǎng)照明是物聯(lián)網(wǎng)中一個(gè)日漸活躍的應用。燈泡廠(chǎng)家很擅長(cháng)于結合各種玻璃和發(fā)光二極管(LED)等微電子技術(shù)來(lái)制造各種燈泡，但是往往對于嵌入式網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)及無(wú)線(xiàn)連接等并不那么在行。當他們在設計無(wú)線(xiàn)照明開(kāi)關(guān)時(shí)，沒(méi)有足夠多的技能來(lái)應對嵌入式軟件和無(wú)線(xiàn)連接方面的挑戰，所以半導體公司必須提供更完善的解決方案，而且它們必須是易于使用的。

　　這背后實(shí)現起來(lái)很復雜。因為照明和手機、電腦的的使用體驗不同。作為照明用戶(hù)，當你使用電燈開(kāi)關(guān)時(shí)很簡(jiǎn)單，希望撥動(dòng)開(kāi)關(guān)燈光就發(fā)生變化，否則就認為是電燈泡壞了。在這種判斷中沒(méi)有其他選擇，大家不會(huì )去猜想其中原因是否是因為網(wǎng)絡(luò )連接有問(wèn)題。但手機和電腦并不這樣，手機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，現在使用聯(lián)網(wǎng)照明，用戶(hù)仍然希望隨時(shí)都可以立即啟用。所以聯(lián)網(wǎng)照明就是在針對最簡(jiǎn)單的設備去做最復雜的工作，去實(shí)現非常高的可靠性。

　　這也是物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)成長(cháng)過(guò)程中要面臨的一個(gè)挑戰，即如何用設備的行為來(lái)取悅用戶(hù)。除了隨時(shí)可用，還有語(yǔ)音和觸控等人機界面。

　　而對于芯片廠(chǎng)商而言，就必須要提供芯片模組以及開(kāi)發(fā)工具和軟件，來(lái)助力實(shí)現這一切，并在出現問(wèn)題時(shí)幫助分析原因和解決問(wèn)題。比如，以前打開(kāi)開(kāi)關(guān)燈泡不亮時(shí)，就會(huì )問(wèn)是燈泡壞了還是電路有問(wèn)題;而現在就是要幫助客戶(hù)進(jìn)行全面分析，是否是網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有把信息送到開(kāi)關(guān)之上，還是遇到了安全性問(wèn)題，也就是我們要幫助客戶(hù)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(mài)50美元/個(gè)，而今天已經(jīng)降到50元人民幣了?？梢?jiàn)下降的速度很快。如果LED燈泡做到3美元/個(gè)，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(lái)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(shí)現普及面臨的障礙之一，所以成本必須要降下來(lái)。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(gè)芯片上，以減少元器件的數量，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(wú)線(xiàn)連接升溫

　　市場(chǎng)上有多協(xié)議SoC，所以包括非常實(shí)用的15.4 zigbee/Thread連接，也有藍牙、Wi-Fi等連接能力?，F在的關(guān)鍵問(wèn)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(hù)提供無(wú)線(xiàn)連接，最直接和安全的選擇就是Wi-Fi。

　　但是對于許多設備，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備的協(xié)議。比如在聯(lián)網(wǎng)照明領(lǐng)域中，Philips公司用zigbee來(lái)為其非常成功的燈泡產(chǎn)品提供連接，其他廠(chǎng)商諸如Osram等也做出了同樣的選擇。在機頂盒等其他領(lǐng)域內，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(gè)人的家里意味著(zhù)什么呢?

　　為了去連接互聯(lián)網(wǎng)，每個(gè)家庭里都有很多盒子來(lái)作為連接匯聚點(diǎn)(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(huì )使用戶(hù)感到困擾和麻煩。

　　當然，在美國的家用市場(chǎng)中，這些設備正在提供更多樣化的連接。最典型的有三類(lèi)設備可提供連接：1.運營(yíng)商提供的接入設備，諸如機頂盒、家用路由器;2.Wi-Fi熱點(diǎn)類(lèi)設備，它們也許是由運營(yíng)商提供，也許是為了更好的覆蓋而自行購買(mǎi);3.語(yǔ)音、音視頻接入和控制產(chǎn)品，比如Amazon的Alexa這類(lèi)產(chǎn)品，購買(mǎi)的原因是為了一些服務(wù)。同時(shí)，其中有些又提供連接功能，雖然這不是消費者購買(mǎi)的主要原因。

　　首先來(lái)看不同廠(chǎng)商的盒子。從過(guò)去6個(gè)月(2016年12月到2017年5月)美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)對接入設備進(jìn)行公告的信息，以及盒子廠(chǎng)商注冊時(shí)的產(chǎn)品信息可列出表1。

　　從表1可見(jiàn)，服務(wù)提供商的機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機頂盒提供光纖到戶(hù)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(lái)提供zigbee或者Thread連接?？梢?jiàn)，許多運營(yíng)商已經(jīng)為機頂盒或者寬帶網(wǎng)關(guān)提供了15.4連接功能。

　　表1中列是在家里用于Wi-Fi覆蓋的設備，主要廠(chǎng)商如Linksys、TP-Link、Google和三星(Samsung)等都在其為美國市場(chǎng)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(huì )上宣布做了一個(gè)參考設計，把Wi-Fi、Bluetooth再加15.4(本來(lái)就是Mesh)這三種協(xié)議結合在一起，做成了一個(gè)接入設備參考平臺，提供給硬件設備生產(chǎn)商來(lái)采用。

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

　　可見(jiàn)，現在各廠(chǎng)商都在做更高的集成，因而可以取代多種設備，家里就沒(méi)有這么多盒子了。雖然還不一定發(fā)現15.4連接，但是這些產(chǎn)品除了提供Wi-Fi以外，現在還提供zigbee連接。

　　在中國也一樣，無(wú)論是電視運營(yíng)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。大家都在找新的應用領(lǐng)域。

　　這樣的好處是，這些廠(chǎng)商在進(jìn)入智能家居市場(chǎng)時(shí)，因為其設備已經(jīng)具備了15.4功能，所以就沒(méi)有額外的成本和更大的復雜性。當然，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(yíng)商，例如Comcast是美國的大型運營(yíng)商之一，其機頂盒產(chǎn)品主要是為自己的運營(yíng)服務(wù)。其他的很多廠(chǎng)商則喜歡開(kāi)放的系統，可以連接到任何設備。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(chǎng)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(guò)去12個(gè)月獲得zigbee認證的新設備數量來(lái)看，第一大類(lèi)就是zigbee聯(lián)網(wǎng)照明，第二大類(lèi)是zigbee家庭自動(dòng)化，兩者加起來(lái)占總認證數量的75%。聯(lián)網(wǎng)照明因為發(fā)展迅猛，而成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　如果深入其中，就會(huì )發(fā)現照明領(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(lái)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(chǎng)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(shuō)明了這些領(lǐng)先聯(lián)網(wǎng)照明廠(chǎng)商在zigbee/Thread聯(lián)盟中扮演的角色，會(huì )員(M)在聯(lián)盟中是一般身份，而董事會(huì )成員(B)則可以指導聯(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(lái)一直涉足zigbee和Thread技術(shù)，比如Philips在聯(lián)盟中非?；钴S，它作為zigbee聯(lián)盟的董事會(huì )成員幫助定義了zigbee的規范;Osram也一直支持zigbee，但是它作為T(mén)hread聯(lián)盟的董事會(huì )成員而積極致力于基于IP的連接。來(lái)自中國廈門(mén)的力達信集團(Leedarson)也是zigbee聯(lián)盟的董事會(huì )成員，該公司每年生產(chǎn)和銷(xiāo)售了大量照明產(chǎn)品。

　　目前大家主要的關(guān)注點(diǎn)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(méi)有實(shí)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(lái)連接各種設備。但照明產(chǎn)品是家庭內部連接的重點(diǎn)，因為一個(gè)家庭的各個(gè)房間里都有多個(gè)照明設備，要連接這些燈泡和設備，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(mǎi)一種燈泡的機會(huì )很小。所以對于聯(lián)網(wǎng)照明，各家供應商之間一定要達成協(xié)議而建立互操作性。

　　在過(guò)去18個(gè)月中，zigbee聯(lián)盟在中國的發(fā)展也很迅速，包括力達信集團在內的四家公司加入zigbee聯(lián)盟的董事會(huì )，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(huì )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擔任主席。前段時(shí)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公司在內的很多聯(lián)盟會(huì )員去參展，大力推動(dòng)了聯(lián)網(wǎng)照明的發(fā)展。

多協(xié)議共存

　　現在越來(lái)越多的設備中有Wi-Fi和zigbee，或者Wi-Fi和各種語(yǔ)音及視頻控制處于同一設備中。所以許多設計中都同時(shí)使用了兩種協(xié)議，Wi-Fi和zigbee的共存是一個(gè)非常重要的話(huà)題。

　　Silicon Labs公司就Wi-Fi和zigbee的共存做了長(cháng)時(shí)間的研究和大量測試，將它們放在一個(gè)盒子/模塊中時(shí)，主要有三個(gè)問(wèn)題：第一，這兩種協(xié)議進(jìn)入同一個(gè)設備后，在有限的空間中相互緊挨著(zhù)時(shí)，射頻(radio)部分相互沖突;第二，Wi-Fi的發(fā)射功率高達20多甚至30多dBm，其嗓門(mén)很大可能會(huì )淹沒(méi)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(shí)段都占了，而且Wi-Fi用了很多備用頻段。當我們在自己的實(shí)驗室里做測試時(shí)，Wi-Fi總是搶占了絕大多數資源。

　　在實(shí)驗室里，Silicon Labs公司與Philips一起來(lái)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(hù)在Wi-Fi推送視頻時(shí)想開(kāi)燈，因為沒(méi)有通信資源不能馬上響應，從而影響到了用戶(hù)體驗。

　　解決方案是通過(guò)一個(gè)仲裁機制讓它們之間進(jìn)行合作，以防出現過(guò)多的數據包失效;因此它們之間在共存于一臺設備之上時(shí)，實(shí)現了我在傳輸數據時(shí)告訴你、你也在傳輸數據時(shí)告訴我，然后再通過(guò)共享這些數據的機制，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(guò)3條或者4條板上的連線(xiàn)，在設計中讓它們彼此協(xié)作(圖1)。

　　這種工作方式類(lèi)似于手機里的connectivity(連接)芯片中，Wi-Fi和Bluetooth整合在一起的時(shí)候。Wi-Fi最重要的是保證QoS(服務(wù)質(zhì)量)。這種協(xié)調機制是以軟件的方式來(lái)實(shí)現的。IEEE也有一個(gè)802.15.2標準，但它只是一個(gè)指導性的標準。所以，Silicon Labs現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(diǎn)接入的芯片公司，避免干擾他們的芯片，同時(shí)也讓雙方都能更好的工作?？梢?jiàn)只有協(xié)調起來(lái)，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(gè)單獨的芯片加起來(lái)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(gè)Flash和Memory。因此，Silicon Labs的很多客戶(hù)都是快速轉向多協(xié)議芯片，因為一方面的優(yōu)勢是可以提升用戶(hù)體驗，另一方面的優(yōu)勢是開(kāi)發(fā)便利性，因為用戶(hù)可以在一個(gè)芯片上開(kāi)發(fā)一次，就可以針對不同的應用去做最終的產(chǎn)品。

　　多協(xié)議芯片還有很多新的應用，例如同一個(gè)片上的Flash可以用來(lái)在不同時(shí)候運行不同的協(xié)議。諸如在配置一個(gè)芯片時(shí)，芯片一開(kāi)始就有藍牙的協(xié)議棧，你用自己的手機用藍牙下載軟件去配置Thread等功能，配置完之后就可以以Thread協(xié)議棧重啟，所以通過(guò)使用同一個(gè)存儲器而不會(huì )產(chǎn)生額外的成本，可以從藍牙開(kāi)始而實(shí)現了Thread的開(kāi)發(fā);如果我們要重新開(kāi)發(fā)，那么只需要重新加載藍牙協(xié)議棧;這樣我們既可以實(shí)現用zigbee去控制燈泡，也可以實(shí)現信標(beacon)的功能。

　　據悉，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，可以根據需求去進(jìn)行重啟和載入;另一種是動(dòng)態(tài)性轉換，可以通過(guò)軟件在工作時(shí)即時(shí)進(jìn)行兩種協(xié)議的轉換。

　　當前，多協(xié)議芯片非常受歡迎，因為就用戶(hù)體驗而言，開(kāi)發(fā)的復雜程度會(huì )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(wú)線(xiàn)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(chēng)，設計這種多協(xié)議產(chǎn)品還是很有挑戰性的，包括怎么在實(shí)際使用時(shí)用軟件去切換射頻，怎么用軟件去調用不同的協(xié)議棧，怎么去設定安全性指標等等。實(shí)際上，正是因為Silicon Labs的IoT部門(mén)是從軟件團隊起家的(原來(lái)在Ember公司)，所以能夠很好地應對這個(gè)挑戰。但是對于傳統的半導體公司，這個(gè)過(guò)程中要解決的困難還是挺多的，需要在實(shí)際運行中切換協(xié)議棧，這對于許多大型半導體公司并不是一個(gè)容易解決的問(wèn)題。

　　傳統半導體公司的商業(yè)模式是派五個(gè)現場(chǎng)應用工程師(FAE)到做接入熱點(diǎn)設備的公司，去幫助他們解決問(wèn)題，把參考方案變成現實(shí)的解決方案工作起來(lái)，就可以賣(mài)出5000萬(wàn)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(mài)給上百家應用公司，每家可能只能賣(mài)出100萬(wàn)芯片。而且從軟件的角度來(lái)看，每一家的問(wèn)題都各不相同。FAE可以在現場(chǎng)解決各種問(wèn)題，但是不能把工程師派到每家客戶(hù)那里。因此物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，更多是要靠軟件來(lái)自我優(yōu)化，而不是靠更多的工程師去現場(chǎng)提供支持。

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