物聯網照明的技術和標準體系框架探討

　　引言

　　照明技術規范和產品標準是照明行業發展的重要組成部分，隨著照明行業的技術跨界，照明技術規范和產品標準已經不是照明行業本身的事情，而是一個多學科和綜合多行業技術的題目。本人就以在IT行業、通信行業和LED照明行業的近四十年的技術積累，以單薄的力量來初淺地大膽探討一下物聯網背景下的照明技術和標準體系框架“，僅作為拋磚引玉，提出單方面的一種見解，提供學術性的討論和參考。

　　1 問題的提出

　　傳統照明行業的光源或燈具在二十年前開始，被屬于半導體行業的LED為主體的照明光源和燈具逐步替代。近幾年又出現了由IT行業、通信行業、電子行業引領的物聯網，開始沖擊半導體行業主打的LED照明，使得照明的技術規范和標準制定難度越來越大，越來越復雜。當然近十多年的LED照明技術規范和產品標準制定成績斐然，并且開始走向國際，有目共睹。尤其自不久前的國家標準法頒布以來，團體照明技術規范和產品標準如春筍般出現，是一件標準開始深入人心和企業開始重視的好事情。不過問題為此也就出現了，具體表現在：

　　1.1 物聯網照明已經不是單一光源和燈具，是一個系統，它集成了光電技術、傳感技術、通信技術、信息技術、大數據處理技術和信息安全技術的綜合體。而技術規范和產品標準的制定，仍然是單行業作戰，沒有形成合力。

　　1.2 傳統的甚至是半導體LED的單一光源和燈具的技術和標準框架體系，已經不適應物聯網照明的技術規范和產品產品標準體系的現狀，因為物聯網照明是一個復雜的系統，是相互需要統一的接口(包括軟件和硬件)協議來協調工作。

　　1.3 系統的技術規范和產品標準，是一個多維度的立面體，需要前瞻性、全面性的多方方位來規劃和指導。

　　1.4 技術和產品涉及多行業、多領域，沒有規范和標準，不能做到技術統一和產品兼容，而沒有宏觀的規范和標準的體系框架，更沒有規范和標準的合理統一性和全面完善性。

　　為此，一個物聯網照明的技術規范和產品標準體系框架的形成十分必要。

　　2 物聯網的基本架構

　　根據國家標準GB/T 33474-2016《物聯網 參考體系架構》中的感念模型，物聯網的基本架構有四個層面組成，四個層面分別為：物理感知層、傳輸網絡層、應用支撐層、服務應用層，見圖1：

　　圖1 物聯網的四層圖解

　　Fig.1 The diagram of IOT

　　2.1設備感知層包括：設備上的各種傳感器(包括：光、電、氣、氣象、環境、速度、運動、紅外、流量、、、)、RFID、智能卡、二維碼、讀寫器、生物識別、視頻、監控、MEMS、GPS、北斗等等，

　　2.2傳輸網絡層包括：遠程的Internet 、2G/3G/4G/5G、NB-IoT、eSIM、eMTC; 衛星通信、PLC、近程的Bluetooth、WIFI、UWB、ZigBee、LoRa、Z-wave等等，

　　2.3應用支撐層包括: 各種中間功能件、大數據、云計算、云平臺、分布式并行計算、Web服務技術、邊緣計算、數據安全、人工智能等等，

　　2.4服務應用層則包括:智能零售、智能制造、智能物流、智能家居、智能安防、智能能源、智慧農業、智慧交通、智慧醫療、智慧建筑、智慧軍事等等。

　　2.5 以照明物聯網為例，解釋一下物聯網的工作過程 ：

　　物聯網照明一樣也有四層：物理感知層、傳輸網絡層、應用支撐層、服務應用層。見圖2：

　　圖2 照明物聯網示意圖

　　Fig.2 The diagram of IOT lighting

　　2.5.1 照明物聯網的設備感知層(路燈和控制節點或集中控制器上)包括：光敏傳感器、運動傳感器、帶時鐘的GPS(或北斗定位)等等

　　2.5.2 照明物聯網的傳輸網絡層包括：無線近距離通信(如Zigbee)或有線近距離通信(如485)、遠程無線通信GPRS或Internet等等。

　　2.5.3 照明物聯網的應用支撐層包括：服務器及平臺軟件、各種中間功能件、大數據、或有云計算和邊緣計算。

　　2.5.4 照明物聯網的服務應用層主要是物聯網照明管理中心，中心包括幾個系統模塊：

　　控制模塊、統計模塊、地理模塊、檔案模塊、設置模塊、通信模塊等。

　　2.5.5 一個簡單的城市道路物聯網照明的工作流程，主要有幾個過程：

　　感應器à單燈控制器à集中控制或監控中心啟動à燈具點亮à狀態返回à各種中央后臺監控管理。

　　注1：所有的“à”符號都表示一個單工或雙工的通信過程)

　　注2：感應器：包括了環境亮度感應、地理時間感應、人或車的運動感應等。這幾個條件在邏輯上是“與”的關系。具體的邏輯模型有設計者和使用者確定。

　　2.5.6從上面的簡單工作流程圖可以看出，物聯網照明不是一個燈具的事情，是一個系統過程，除了傳感器、驅動電源部件或燈具設備自身的技術規范和產品標準外，在各個部件之間、部件和設備之間、部件或設備和監控中心之間，都存在硬件連接、通信協議和軟件數據結構的匹配協調問題。

　　2.5.7 物聯網照明的技術規范和產品標準體系框架，就是把部件、設備、通信、軟件平臺、應用軟件等等自身的，和它們之間的，需要做的技術規范、通信協議、產品標準、互換接口要求等理出來，便于相關的標準工作者了解需要做的工作。

　　3 物聯網照明標準體系框架

　　體系框架見圖3：

　　圖3 物聯網照明標準體系框架

　　Fig.3 The technology and standard system framework of IOT lighting

　　4 基本框架的解釋和說明

　　4.1 框架的搭建基礎和思路是按物聯網的模型體系，并按照照明設備的自身特點來進行的，是橫向按層面來搭建的。也有按從底層到中央后臺的縱向，以物聯網的應用場景一個個來搭建，但縱向的搭建，會產生重復的框架內容。

　　4.2 框架按物聯網的基本四個分層加設備層，分為五個部分。每個部分有獨立的技術規范和產品標準，也有每個部分相互之間的接口技術規范和通信協議。

　　4.3 框架中涉及的部分可以參考，但不局限于此的物聯網照明相關國家標準、行業標準、團體標準標準號和名稱，和本文提出的框架標號和名稱做個對照，參見對照表1：

　　表1 框架標號和參考標準名稱對照表

　　Tab.1 Reference for the sequence number in framework and issued standard

　　4.4 框架中的部分標準，有的雖然已經發布，但還是有需要修訂的地方。比如去年發布的GB/T 33745-2017《物聯網 術語》中，最基本的“物聯網系統”術語也沒有定義，卻在其他物聯網相關標準中卻經常出現。

　　4.5 框架中所列的僅是照明物聯網的內容，但也是多功能路燈的基本體系框架，如果加上其他功能(環境監測、安全監控、WiFi基站、信息顯示等等)的技術規范和產品標準體系，就可以形成多功能路燈物聯網的體系框架。

　　4.6 這個框架也不是完備的，有很多探討的空間?？梢约紡V益，百家爭鳴，最后得出切合實際現狀和符合未來發展的體系框架，這是本文的目的。

　　5.發展趨勢

　　當前，物聯網應用集中在智能家居、智慧城市、車聯網、工業物聯網等熱門領域，這些熱門領域帶動了人工智能、大數據、云平臺云計算、無線通信、語音識別等等技術的發展。而隨著物聯網技術的日趨成熟，物聯網產品迭代速度加快，各行各業的應用也在不斷深化，這將催生更多的新技術、新產品、新應用、新模式。

　　對于上面探討的體系框架，會存在下面可以預見的變化：

　　5.1對于物聯網的傳輸網絡層 ，隨著NB-IOT越來越普及后的成本下降，傳輸網絡層不再會有近距離加遠程的模式實現，而是直接由NB-IOT和eSIM(或者eMTC)的模式一步完成。

　　5.2未來5G的商業化，傳輸網絡層將會發生翻天覆地的變化，而且也不分窄帶和寬帶的通信模式。鑒于本人還沒實踐過5G，所以不能具體描述它的變化，但無論在帶寬上、性能上、成本上怎么變化，傳輸網絡層總是存在的，技術和標準的架構不會變化。

　　5.3邊緣計算最快的應用場景將是在智能網關上，將會改變目前的多模式多協議的局域和近程通信模式。

　　5.4 邊緣計算近期異軍突起，雖然它位于通信傳輸層的上端或下端，但它是對云計算的一種補充和優化，讓云計算成為真正的中心計算。

　　5.5 隨著智能路燈向多功能路燈發展，筆者認為現在俗稱的“智慧路燈”，只能稱“多功能路燈“或”多功能燈桿”，它沒有到智慧的程度，只是把幾個以前分開應用的場景集成到路燈燈桿上而已。所以上述的物聯網照明體系框架具有基礎的意義，“多功能路燈物聯網的技術和標準體系框架”可以在這個基礎上增加修訂。

　　5.6 隨著近期國家公布的低軌道衛星通信系統的實現，物聯網的延申將遍布地球的山山水水任何一個地方。

　　參考文獻：

　　[1] 國家標準GB/T 33474-2016《物聯網參考體系架構》

　　[2] 國家標準GB/T 36478-2018《物聯網信息交換和共享》

　　[3] 國家標準 GB/T 15629《信息技術》

　　中圖分類號： 文獻標識碼：A DOI：

　　作者簡介：沈慶躍，高級工程師。從事LED芯片、封裝、照明和照明控制技術的市場營銷、產品規劃、研發設計、制造管理18年。曾有在IT行業13年、通信行業5年的經歷，且從2004年開始主導或參與過二十幾個國家標準、行業標準和團體標準。