査利君
廈門市智聯(lián)信通物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司副總裁
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》智慧照明與物聯(lián)網(wǎng)科技 顧問
一、物聯(lián)網(wǎng)進入照明領域，“勢不可擋”
物聯(lián)網(wǎng)
“物聯(lián)網(wǎng)”概念在2005年被正式提出，2009年中國提出“感知中國”，物聯(lián)網(wǎng)進一步被提升了地位，被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。在中國，物聯(lián)網(wǎng)的關注程度是在美國、歐盟、以及其他各國不可比擬的，自然物聯(lián)網(wǎng)滲透到各行各業(yè)是必然的，而照明領域對于物聯(lián)網(wǎng)技術的應用是必然“勢不可擋”。
物聯(lián)網(wǎng)技術形同一種催化劑，推動了照明行業(yè)的加速轉型升級，無論是室內(nèi)的家居照明，還是室外的商業(yè)照明，均爆發(fā)性生長，所以總是有專業(yè)人士預計在哪一年物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點會達到多少個億，其實在這個數(shù)量級別里面有一大份是由照明節(jié)點組成。試想，一個城市，除了建筑，路燈應該就是遍布廣，最有規(guī)則性的，將每一個路燈看成一個“物”節(jié)點，將每個路燈兩兩連接，之間形成的網(wǎng)鏈則是覆蓋住城市建筑的網(wǎng)罩，這就是意味著城市智慧發(fā)展，會是依賴于照明來實現(xiàn)。
所以在照明領域，燈就是一個“物”，再通過一個互聯(lián)網(wǎng)通信技術，將其連接到一個虛擬的網(wǎng)絡中，就是最簡單的照明基于物聯(lián)網(wǎng)技術的實現(xiàn)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術的照明升級究竟了給這個領域帶來了什么?綜合各個方面來分析，基本可以總結出以下幾點效益：
1、經(jīng)濟效益：省電又省錢。這一點尤其城市的路燈照明上尤其顯著，道路照明是市政設施中主要的耗電設施，因此道路照明成為綠色節(jié)能和環(huán)保的重要突破口。每個照明節(jié)點基于物理網(wǎng)技術，在聯(lián)網(wǎng)后其照明變成可以受控，如開關燈、調(diào)光等等，直接帶來的就是節(jié)能率提升和照明源的壽命。
2、社會效益：提升城市的形象、美化居室環(huán)境，給人們提供更加安全和舒適的照明環(huán)境。早期路燈故障不能及時維護，城市中總會有一個角落沒有光明，家居樓宇照明要么高亮要么全滅，如今物聯(lián)網(wǎng)技術的引入，城市的戶外照明故障能夠及時被發(fā)現(xiàn)，家居能根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)色調(diào)，根據(jù)人的活動情況調(diào)節(jié)光線。這一系列都是物聯(lián)網(wǎng)技術帶來的社會效益。
3、管理效益：路燈節(jié)點的網(wǎng)絡接入，實現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)的管理僅需要一臺電腦，一把手機，整個城市的路燈管理水平因此提高了，管理工作人員從繁復的巡檢工作中解放出來，降低了工作強度和經(jīng)營管理成本。細到家庭，每個房間的照明都可以裝在一把手機里面，輕松實現(xiàn)開燈、調(diào)光、調(diào)色等管理。
4、環(huán)保效益：物聯(lián)網(wǎng)技術，是一種基于電能為能源的技術，其特點是低能耗，所以對城市電網(wǎng)無高頻干擾，對市區(qū)環(huán)境無強電磁波污染，符合當今社會環(huán)保的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)在，隨著社會的發(fā)展和人們對于照明要求的不斷提高，智能照明系統(tǒng)也在朝著結構多樣化、應用擴大化的方向快速發(fā)展，照明領域對于物聯(lián)網(wǎng)技術的引入需求是不可抵擋的。
二、物聯(lián)網(wǎng)在照明領域的應用結構
“The Internet of things”是物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱，在中國把物聯(lián)網(wǎng)稱之為“傳感網(wǎng)”，所以傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中重要的的角色之一。物聯(lián)網(wǎng)里面主要的角色應該是傳感器、終端、云。所以規(guī)規(guī)矩矩的物聯(lián)網(wǎng)照明應用拓撲結構應當是如下圖的層級分布，以云為中心，傳感器和照明均連接到云服務中心，云中心是一個數(shù)據(jù)交互的平臺，一個數(shù)據(jù)共享的平臺。
然而現(xiàn)在找照明領域里面的物聯(lián)網(wǎng)技術應用傳感器可以說是極少的，大部分僅僅是做遠程控制。也就是將傳感器替換為可視化管理界面，這樣“傳感網(wǎng)”的概念的變化了，物的聯(lián)網(wǎng)僅僅只是一個加了遙控的功能，沒有將物聯(lián)網(wǎng)的作用力最大化。
另外一種應用結構，相對來說是更大的邁開一步。在原有的照明源和可視化管理平臺基礎上增加了傳感器，似乎也是完成了物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)，但是其實依然是一個失敗的結構，現(xiàn)在的照明行業(yè)領域，大部分的企業(yè)做法是將傳感器信息顯現(xiàn)在可視化管理平臺，照明源依然是一個遠程開關的設備，傳感器和照明源可以說沒有任何的聯(lián)系。前文說過了，物聯(lián)網(wǎng)是借助云平臺數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡，而現(xiàn)在提及的結構，在照明領域僅僅是將傳感器和照明源接入到云服務，沒有真正地將彼此的數(shù)據(jù)應用最大化，這也就是應用結構拓撲實際現(xiàn)狀，似乎已經(jīng)很好地利用了物聯(lián)網(wǎng)技術將物物連接，但是其實沒有數(shù)據(jù)上的共享互通。
真正的物聯(lián)網(wǎng)應用，結構是傳感器、終端、可視化管理平臺、云服務。甚至可以壓縮為傳感器、終端、云服務，因為可視化管理正常也是一個終端設備，如手機或者電腦。傳感器的作用是將各種環(huán)境感知，作為照明管理的一個依據(jù)，如天黑了，燈需要亮了;人進來了，光線可以調(diào)亮;溫度變冷了，光顏色可以變化為暖色調(diào)。在這個基礎上，這些數(shù)據(jù)可以在手機或者電腦上記錄分析。所以數(shù)據(jù)在圖中的結構上，除了傳感器是單向的，其他應當是雙向的(當然傳感器表面上是單向的，實際上它的另一個數(shù)據(jù)傳輸方向是在對環(huán)境的感知，如照明源的變化可以被傳感器感知，這種數(shù)據(jù)傳輸是不會經(jīng)過云的。)，連接到云的各個數(shù)據(jù)信息可以被彼此相互利用，這才是星網(wǎng)應用結構利用的最大化，否則真談不上物聯(lián)網(wǎng)技術的應用。
顯然，當前照明領域對物聯(lián)網(wǎng)的應用結構布局，一部分人理解錯了，一部分理解正確了，但是在數(shù)據(jù)上利用是不足的，還沒有利用物物之間的數(shù)據(jù)產(chǎn)生最大價值。
三、物聯(lián)網(wǎng)在照明領域的載體
物聯(lián)網(wǎng)，拆開詞語從字面上直接理解，物則是照明節(jié)點，聯(lián)則是互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)則是物物直接形成的網(wǎng)絡或者是云服務。從中看來，聯(lián)是中間的橋梁，萬物想實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術，都離不開一定的通信手段來實現(xiàn)，也就是載體。物聯(lián)網(wǎng)在當今最熱門的通信載體有LoRaWAN、NB-IOT 、ZigBee、WIFI，這幾個是最為常見的物聯(lián)網(wǎng)通信載體，這幾個載體有一個重要的共性，那就是無線，從混亂的線纜中脫離是潮流索取，也是從用戶便利舒適性出發(fā)考慮理所當然。當然，在當今物聯(lián)網(wǎng)在照明領域上所應用到的通信載體可不僅僅這些，下面我們來淺談這些通信載體特性和在當前照明領域上的應用。
先來看看常見的有線通信載體。
RS485總線通信，最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mbps，一般可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。常見的應用是隧道照明和景觀照明。在隧道照明里面常是基于MODBUS協(xié)議實現(xiàn)通信，每個隧道燈是物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點，通過485支持的多從機功能，所有的隧道燈都并聯(lián)在485總線上，也就是兩根雙絞線纜上;對于景觀明常見是基于DMX512協(xié)議實現(xiàn)，具有比MODBUS更強大的功能，數(shù)據(jù)更為復雜，所以可以實現(xiàn)更復雜照明功能，因此在大規(guī)模景觀照明上應用最適合不過了。RS485特點就是遠距離，避免了外界的信號干擾，可靠。但因為需要另外拉線，給現(xiàn)場的照明改造工程到來更多的不便，并且由于中間一旦出現(xiàn)線路損壞或者終端設備故障，后端的設備將會失效。所以這種通信載體往往在商業(yè)照明上會更多，在家居照明中，往往是格格不入的，長遠來看是不會被用戶所青睞。
DALI，是一種有線通信技術，主要在室內(nèi)照明領域具有較大的占有份額?；贒ALI協(xié)議組建的系統(tǒng)具有分布式智能模塊，各個模塊都具有數(shù)字控制和數(shù)字通信能力，地址和燈光場景信息等都存儲于各個DALI模塊的內(nèi)存內(nèi)。DALI模塊通過DALI總線進行數(shù)字元通信、傳遞指令和狀態(tài)信息，實現(xiàn)燈的開關、調(diào)光控制、系統(tǒng)的設置等功能。從功能上來看，因為數(shù)據(jù)管理的豐富性，雖然增加了布線的成本，但是在管理上比起RS485來的優(yōu)秀，安全性也會比無線方式更好。
PLC，電力載波，即通過已有的電力線上面走信號傳輸，省去了工程增加線路，避免線路損壞概率。通常電力載波也具備有自組網(wǎng)能力，所以可以通過接力的方式將數(shù)據(jù)遠距離傳輸。這是一種相對來說是比較優(yōu)秀的通信載體，目前這種通信在室外照明和室內(nèi)被廣泛的使用，因為在電力線上的規(guī)范化和電力載波通信技術的成熟，使得這種方式在市場上被廣泛推廣。不得不說的是這種通信方式在戶外照明改造上，大部分照明企業(yè)遇到的是通信距離較短，遠距離就會通信速度變慢，或者成功率下降，讓照明項目改造業(yè)主倍感困惑無奈。
以太網(wǎng)，一種有線寬帶通信載體。不例外的是這種有線通信載體在家居照明中并不常見，常見是在在戶外智能照明領域，借助于燈桿，視頻傳感器和路燈控制通過有線寬帶載體傳輸，達到高速，安全目的。路燈及監(jiān)控作為城市組成的大成員，其安全性受到的重視不可小覷，路燈一旦信息被截獲，則會被黑客成員任意控制，使得城市交通等依賴于照明的一切陷入混亂。所以這種通信在市政照明場合是存在的，雖然不多，但是是指的推廣的一種方式，以太網(wǎng)也是在通信行業(yè)上生存較為久遠的之一。
接下來的最受廣大用于青睞的無線載體。ZigBee，藍牙，這兩種通信載體可以拿來一起談。這兩種通信均是基于2.4G實現(xiàn)的居多，特點是支持組網(wǎng)，缺點兩兩之間的通信距離短，這是因為2.4G頻段所限制，容易在障礙物遮擋下產(chǎn)生較大的衰減。不過這兩種通信在室內(nèi)照明上具有很廣泛的應用，因為其具有功耗低、節(jié)能，數(shù)據(jù)傳輸速度快，能夠有效避免控制碰撞的概率，加上組網(wǎng)的方式，如果有個別幾個節(jié)點故障，其他節(jié)點也不會因此故障失效。
LoRaWAN，Sigfox，NB-IOT是這幾年在LPWAN中最杰出的成員。于2017年的第三季度，有報告指出處于試驗狀態(tài)以及投入商用的公共LPWA網(wǎng)絡數(shù)量增至198個，NB-IoT在其中占據(jù)領先地位，網(wǎng)絡數(shù)量為69個(占據(jù)35%)，其次為LoRaWAN和Sigfox。在幾種低功耗廣域網(wǎng)絡中，LoRaWAN商用較早且較為開放，于2015年成立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，目前在LPWAN中應用最為廣泛。而于2016年實現(xiàn)標準凍結的NB-IoT，由于采用授權頻譜，可避免無線干擾，且具備運營商級的安全和質(zhì)量保證，因此在對可靠性要求較高的智慧照明場景中更具競爭優(yōu)勢，市場份額增速最快。同樣受到波及的還有Z-Wave和Sixfox。這兩種都是和LoRaWAN一樣都是基于Sub-1GHZ的無線通信技術，他們均是屬于未授權頻譜LPWAN技術，而NB-IOT則是授權的通信方式，所以這種通信載體在國內(nèi)主要是由三大運營商來支持運營。顯然這種非授權通信技術相對來說較為開放，在照明行業(yè)中具有較為靈活的部署方式，獨立于其他運營商，照明企業(yè)可以自己充當運營部門，甚至市政照明管理部門自己就是一個運營者。
同樣是基于無線射頻通信技術，這幾種杰出的通信載體均有各自相對特色的地方。LoRaWAN是基于LoRa擴頻調(diào)制技術的通信網(wǎng)絡，其所覆蓋的無線頻段本身就具有良好的繞射、反射能力，加上擴頻技術，使得信號在空中不容易受到干擾而丟包，所以對戶外照明這種生存在復雜的城市中很有幫助，解決了以往的電力載波存在的難題，另外加上完善的加密方式，其安全性也是可靠的。所以傳輸具體相對比較不會受到樹木、建筑的影響是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡的短距離無線通信技術。Z-wave工作頻帶為908.42MHz( 美國)~868.42MHz( 歐洲)，采用FSK(BFSK/GFSK) 調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps，信號的有效覆蓋范圍在室內(nèi)是30m，室外可超過100m，主要在國外的室內(nèi)照明場合，在國內(nèi)還是屬于罕見的通信載體。
NB-IOT在目前，仍然可以說是一個新鮮事，在照明領域上雖然嶄露頭角，然而還有很多的不足，整個網(wǎng)絡的穩(wěn)定性還是受到技術的完善性所限制，導致還能不能在戶外照明領域廣泛應用;對于室內(nèi)照明領域，更是難以闖出一片天，較高的成本，是普通用戶所承擔不起的。
和NB-IOT類似的還有2G、3G、4G，接下來還有5G通信技術，這些的共同特點是在物聯(lián)網(wǎng)結構是直接跳過中間網(wǎng)關，直接接入到網(wǎng)絡的通信方式，也就是每個節(jié)點都是一個個體，這些通信技術在歷史存留時間長久，用于即為穩(wěn)定的通信性能，雖然在速度上和成本上具有較差的優(yōu)勢，但是難以遮掩其穩(wěn)定性。
雙模通信，雙模的概念廣泛，無非就是兩種通信模式組成的冗余手段。這種通信載體，目前還是主要在室外商業(yè)照明中存在，成本也是室內(nèi)照明無法接受的，同時對于室內(nèi)照明因為范圍較小，也是無需使用到這種技術。雙模的組合正常都是將有線和無線技術混合實現(xiàn)，常見是將電力線通信技術和SUB-1GHZ無線通信技術合二為一，利用兩者信道天然的差異，可實現(xiàn)物理層根據(jù)各自信道質(zhì)量情況進行自動切換、網(wǎng)絡層可實現(xiàn)混合路由，兩者互補從而使得通信的時效性和可靠性得以最大程度的提升，這在復雜的城市環(huán)境可以得以良好的生存。
最后是WiFi通信載體，這種通信載體較多的應用是在室內(nèi)照明，如同大家所知的，WiFi這個被大家熟知的應當是移動設備上網(wǎng)沖浪使用，所以對于普通用戶可以輕松上手，對于個人家庭，WiFi基本可以覆蓋整個家居室內(nèi)，所以傳感器和照明加上WiFi通信是方便的，一臺路由器接口完成家庭照明的匯總管理，再結合云數(shù)據(jù)管理，這樣的通信適合室內(nèi)低成本照明升級。當然，在戶外照明，也正在逐步完善中，因為城市WiFi覆蓋逐步擴大，所以使得各個路燈照明節(jié)點通過WiFi接入完全可能。
綜合上述各類通信載體，在室內(nèi)和室外照明都可以看見蹤影，各有優(yōu)勢，根據(jù)不同的環(huán)境復雜程度，數(shù)據(jù)安全性程度擇選合適的通信載體，讓照明節(jié)點聯(lián)網(wǎng)具有可靠的保證。
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