低成本要求聯(lián)網照明的復雜性,嚴格的聯(lián)網照明到底要如何實現(xiàn)
聯(lián)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(lián)網照明,落實設計其實很復雜,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(xiàn)。對此,Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)軟件業(yè)務副總裁Skip Ashton先生近期接受行業(yè)媒體專訪,針對聯(lián)網照明及相關無線多協(xié)議技術與應用發(fā)展趨勢進行詳細的介紹與說明,將能有效幫助工程師掌握聯(lián)網照明設計的個中奧秘。歡迎點擊“閱讀原文”觀看完整報導!
Silicon Labs軟件業(yè)務副總裁Skip Ashton先生
聯(lián)網照明市場
聯(lián)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(fā)現(xiàn)自己的競爭優(yōu)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,可以控制燈泡與音樂協(xié)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,可以適用于更大量的消費人群,其產品不能隨著音樂調節(jié)顏色,也沒有像Philips產品那樣需要控制網關,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(lián)入網絡,同時還要能夠良好工作。
軟件定義無線
物聯(lián)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(lián)網照明的復雜性
聯(lián)網照明是物聯(lián)網中一個日漸活躍的應用。燈泡廠家很擅長于結合各種玻璃和發(fā)光二極管(LED)等微電子技術來制造各種燈泡,但是往往對于嵌入式網狀網(Mesh)及無線連接等并不那么在行。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面的挑戰(zhàn),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。
這背后實現(xiàn)起來很復雜。因為照明和手機、電腦的的使用體驗不同。作為照明用戶,當你使用電燈開關時很簡單,希望撥動開關燈光就發(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。但手機和電腦并不這樣,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(xiàn)在使用聯(lián)網照明,用戶仍然希望隨時都可以立即啟用。所以聯(lián)網照明就是在針對最簡單的設備去做最復雜的工作,去實現(xiàn)非常高的可靠性。
這也是物聯(lián)網市場成長過程中要面臨的一個挑戰(zhàn),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,以前打開開關燈泡不亮時,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行全面分析,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,也就是我們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(lián)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??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,以減少元器件的數量,從而使制造商降低物聯(lián)網產品的總成本。
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15.4zigbee/Thread連接,也有藍牙、Wi-Fi等連接能力。現(xiàn)在的關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。那么,這對每個人的家里意味著什么呢?
為了去連接互聯(lián)網,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、音視頻接入和控制產品,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。
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。
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Fios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??梢?,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中列是在家里用于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。又如高通于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(xié)議結合在一起,做成了一個接入設備參考平臺,提供給硬件設備生產商來采用。
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、阿里巴巴等網絡商,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,他們也很關注把zigbee帶入到家庭里面去。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復雜性。當然,最終以什么方式進入不同的垂直生態(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系統(tǒng),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)網照明新品競相登場
聯(lián)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(lián)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(lián)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(lián)網照明因為發(fā)展迅猛,而成為了關注的焦點。
如果深入其中,就會發(fā)現(xiàn)照明領域有許多公司(如表2)。從全球聯(lián)網照明產品發(fā)展趨勢來看,主要包括照明產品和控制器兩部分。表2是聯(lián)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最下面的兩家公司是做控制器的。
表2說明了這些領先聯(lián)網照明廠商在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)則可以指導聯(lián)盟的發(fā)展方向。在聯(lián)盟中,大家都關注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,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信集團(Leedarson)也是zigbee聯(lián)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(fā)布目前還較少,盡管有許多公司致力于Thread,但是Thread產品還沒有實際發(fā)貨,而zigbee已有非常大的發(fā)貨量。
因此,zigbee和Thread作為Mesh網絡,可以在家里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里都有多個照明設備,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(lián)網照明中非常重要,因為所有房間只購買一種燈泡的機會很小。所以對于聯(lián)網照明,各家供應商之間一定要達成協(xié)議而建立互操作性。
在過去18個月中,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,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公司在內的很多聯(lián)盟會員去參展,大力推動了聯(lián)網照明的發(fā)展。
多協(xié)議共存
現(xiàn)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制處于同一設備中。所以許多設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)議進入同一個設備后,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,從而影響到了用戶體驗。
解決方案是通過一個仲裁機制讓它們之間進行合作,以防出現(xiàn)過多的數據包失效;因此它們之間在共存于一臺設備之上時,實現(xiàn)了我在傳輸數據時告訴你、你也在傳輸數據時告訴我,然后再通過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3條或者4條板上的連線,在設計中讓它們彼此協(xié)作(圖1)。
這種工作方式類似于手機里的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(服務質量)。這種協(xié)調機制是以軟件的方式來實現(xiàn)的。IEEE也有一個802.15.2標準,但它只是一個指導性的標準。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用去做最終的產品。
多協(xié)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(xié)議。諸如在配置一個芯片時,芯片一開始就有藍牙的協(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(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(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,可以根據需求去進行重啟和載入;另一種是動態(tài)性轉換,可以通過軟件在工作時即時進行兩種協(xié)議的轉換。
當前,多協(xié)議芯片非常受歡迎,因為就用戶體驗而言,開發(fā)的復雜程度會大大降低。
軟件在IoT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?
Skip Ashton稱,設計這種多協(xié)議產品還是很有挑戰(zhàn)性的,包括怎么在實際使用時用軟件去切換射頻,怎么用軟件去調用不同的協(xié)議棧,怎么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(zhàn)。但是對于傳統(tǒng)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(xié)議棧,這對于許多大型半導體公司并不是一個容易解決的問題。
傳統(tǒng)半導體公司的商業(yè)模式是派五個現(xiàn)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(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)網芯片的公司很難,因為必須賣給上百家應用公司,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。
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