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              白皮書 | 觸動智能互聯(lián)照明的開關(guān)

              2018/12/25 10:16:27 作者:Ken Berringer 來源:阿拉丁照明網(wǎng)
              摘要:在大約140年前,托馬斯?愛迪生申請了第一項(xiàng)關(guān)于“Improvement in Electric Lights”的專利,其中描述了使用碳絲作為白熾燈導(dǎo)體以限制發(fā)熱,從而使電燈可以長時間持續(xù)照亮。

                在本白皮書中,我們將探討快速成熟的智能照明市場,并研究推動消費(fèi)者朝家庭自動化發(fā)展的一些驅(qū)動因素。

                我們還將探討伴隨無線照明連接性產(chǎn)生的特定設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),以及開發(fā)人員如何利用最新技術(shù)滿足不斷增長的需求。

                重新構(gòu)思燈泡

                在大約140年前,托馬斯?愛迪生申請了第一項(xiàng)關(guān)于“Improvement in Electric Lights”的專利,其中描述了使用碳絲作為白熾燈導(dǎo)體以限制發(fā)熱,從而使電燈可以長時間持續(xù)照亮。那時,主要的設(shè)計(jì)問題是如何不讓原型燃燒起來,而今天,照明幾乎被認(rèn)為是理所當(dāng)然的事情,這之間顯然發(fā)生了巨大變化。

                在愛迪生取得重大成就之后的140年間,照明領(lǐng)域最具突破性的進(jìn)步之一便是LED的發(fā)明。如今的LED,尤其是互聯(lián)LED,帶有一些附加功能,如顏色選擇。此外,LED每單位瓦特所發(fā)出的流明數(shù)多于傳統(tǒng)白熾燈泡,從而大幅降低能耗。LED的能效亦不受尺寸的影響。然而,由于連接性需求,所有這種控制都為用戶帶來了全新的復(fù)雜性。

                設(shè)想一下,下班回家,在您走進(jìn)家門之前,燈便已打開。抑或在清晨,臥室照明通過逐漸調(diào)節(jié)床頭燈的顏色和亮度,在一小時內(nèi)慢慢將您喚醒。

                如今,雖然LED照明是一項(xiàng)價值$300億的全球產(chǎn)業(yè),卻仍未跨越鴻溝,成為主流照明。目前,彩色互聯(lián)燈泡的成本約為每只$50,而美國家庭平均有40個燈座?;ㄙM(fèi)近$2,000購置燈泡對任何人來說都不利于推廣,可能只有最熱誠的早期嘗鮮者愿意接納。

                但價格一直在下跌。2014年,一只標(biāo)準(zhǔn)LED燈泡的價格為$25,但現(xiàn)在僅為$2。價格下跌為供應(yīng)商創(chuàng)造了差異化的機(jī)會。

                互聯(lián)照明的優(yōu)勢

                正如我們早前所提到的,有三大主要優(yōu)勢正在推動互聯(lián)照明的采用:便捷性、智能和數(shù)據(jù)分析。照明是重要的環(huán)境因素,對人們的日常生活有著重要影響。例如,在辦公環(huán)境中,照明通常為靜態(tài),因此不會變化。燈要么打開,要么關(guān)閉。打開時,房間內(nèi)充滿熒光。這種光線有利于閱讀,但并不適合盯著電腦屏幕看。如果可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)環(huán)境照明以適合當(dāng)前工作,那將會十分方便,這一愿望現(xiàn)已成為現(xiàn)實(shí)。智能照明以及智能和傳感器的使用也讓用戶有機(jī)會了解到入住數(shù)據(jù)等信息,或監(jiān)控室內(nèi)狀況、溫度、甚至流量模式。最后,智能LED可提供與位置和空間利用相關(guān)的分析功能。例如,LED可用于確定樓宇內(nèi)利用率最高的區(qū)域或提供有關(guān)倉庫空間使用效率的反饋。

                在美國,一個家庭平均有40個燈座,而互聯(lián)彩色燈泡的成本為每只約$50。

                大多數(shù)人會選擇在家中安裝少量互聯(lián)LED,以逐步邁入智能照明時代。除了改變輸出的本質(zhì),智能照明以及隨之產(chǎn)生的連接性為住宅帶來了大量好處。無論身在何處,用戶都可利用無線監(jiān)控和控制能力來控制能源使用。此外,智能和數(shù)據(jù)分析也帶來附加價值,不僅可以讓消費(fèi)者實(shí)時查看能量消耗情況,還能夠通過移動設(shè)備控制智能物件,更增添了占位和環(huán)境條件傳感器等先進(jìn)功能,這樣無需用戶采取任何操作,環(huán)境便能夠自發(fā)做出響應(yīng)。在更加智能地控制照明方面,占位、環(huán)境光線、甚至溫度傳感器都起到重要作用。在室內(nèi)無人時關(guān)閉燈具真的只是冰山一角。

                基于位置的照明也是新出現(xiàn)的便利功能。該理念利用燈光來判斷人的位置或占位情況。存在燈光表示有活動進(jìn)行,人們通常聚集在有燈光的地方。由于燈具是固定的,在工業(yè)、商業(yè)、甚至一些戶外場所(如停車場和城市中心)通常均勻地間隔開,因此能夠完美地照射人所在的位置。在燈具內(nèi)集成定位功能的使用案例十分常見。最簡單的形式是將燈具的健康狀況與位置相結(jié)合,人們可以預(yù)防性地確定該燈具的維護(hù)時間,從而節(jié)省時間與資金。利用傳感器或 Bluetooth?信標(biāo)等技術(shù)可準(zhǔn)確判斷一個人的位置。

                使用通過聚合不同時間和空間的數(shù)據(jù)得到的信息,可確定倉庫、超市甚至停車場的空間利用效率。這類數(shù)據(jù)的另一個使用案例是,零售商可以根據(jù)購物者的位置選擇性地促銷產(chǎn)品。

                2014年,標(biāo)準(zhǔn)(非互聯(lián))LED燈泡的價格為每只$25,如今已降至約$2。

                新興市場趨勢

                安全性正逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍面臨的問題,照明也不例外。系統(tǒng)的好壞取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。但由誰來保證系統(tǒng)的安全呢? 安全性不應(yīng)被視為在開發(fā)周期結(jié)束時可實(shí)現(xiàn)的功能,而是應(yīng)貫穿于整個過程。

                這些無線系統(tǒng)十分復(fù)雜,而工程師的工作重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)出有效的產(chǎn)品,因此很容易變得固執(zhí),不惜犧牲其他考慮因素去追求有效性。有一種強(qiáng)大的系統(tǒng)化方法可減少這些危險,幫助團(tuán)隊(duì)集中精力投入其專業(yè)領(lǐng)域方面。

                好消息是,目前已有可大幅提高智能照明系統(tǒng)安全性的工具。

                創(chuàng)新已不算是挑戰(zhàn),真正的挑戰(zhàn)是以正確的方式學(xué)習(xí)如何使用技術(shù)。例如,在Bluetooth或ZigBee芯片上關(guān)閉安全性功能可簡化開發(fā)并方便調(diào)試。這也可能會拉低零件價格,因此在禁用安全性方面,可能存在一些財(cái)務(wù)誘因。另一個常見錯誤是,在芯片投入生產(chǎn)時未關(guān)閉調(diào)試接口。如果最終用戶連接調(diào)試程序,芯片會變得完全透明。取消安全性可能帶來短期利益,但會產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這些利益的長期代價。

                服務(wù)于智能照明市場的每個人,從芯片設(shè)計(jì)者到消費(fèi)者設(shè)備制造商,都需要共同承擔(dān)起責(zé)任。目前,并沒有真正的激勵因素讓每個人承擔(dān)更多的責(zé)任作為自己工作的一部分。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的攻擊時,后果不僅僅是收入流失或?qū)蝹€品牌造成損害。失去消費(fèi)者的信任可造成市場長期萎縮。與任何技術(shù)一樣,用戶體驗(yàn)至關(guān)重要,如果因?yàn)檫@些孤立但廣為人知的失敗而讓消費(fèi)者缺乏安全感,那么人們在購買時就會變得猶豫。長期不安全的設(shè)備可能會引發(fā)行業(yè)監(jiān)管或認(rèn)證。

                當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的攻擊時,后果不僅僅是收入流失,更糟糕的是失去消費(fèi)者的信任。

                多協(xié)議連接性的設(shè)計(jì)要求和優(yōu)勢在考慮智能照明系統(tǒng)時,我們認(rèn)為以下因素是關(guān)鍵的高層次需求:多協(xié)議的靈活性與易用性正逐漸成為競爭優(yōu)勢,可提供更好的用戶體驗(yàn)和增強(qiáng)的使用案例。可以是簡單地對ZigBee進(jìn)行Bluetooth調(diào)試,也可以是同時運(yùn)行ZigBee或thread和Bluetooth。

                可編程多協(xié)議

                最基本的多協(xié)議支持必須包括芯片組,當(dāng)使用合適的軟件協(xié)議棧進(jìn)行編程時,該芯片組可運(yùn)行任意數(shù)量的無線協(xié)議。能夠在生產(chǎn)中對芯片進(jìn)行編程以支持Bluetooth smart或ZigBee或thread或一些專有協(xié)議,這意味著制造商可簡化其硬件設(shè)計(jì)并快速應(yīng)對不同市場。對于所有其他多協(xié)議使用案例而言,通過不同軟件映像支持多個協(xié)議的芯片平臺是基本前提。

                切換的多協(xié)議

                對于任何多協(xié)議平臺而言,下一步是在現(xiàn)場部署設(shè)備后,能夠通過引導(dǎo)裝載新的固件映像來更改受支持的無線協(xié)議。我們將會看到,這需要一些基礎(chǔ)構(gòu)建模塊,但卻為適應(yīng)未來需求的現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)造了大量機(jī)會,包括利用智能手機(jī)連接性來簡化和保護(hù)部署ZIGBEE thread設(shè)備加入無線網(wǎng)絡(luò)。

                動態(tài)多協(xié)議

                最終,任何多協(xié)議解決方案都必須解決利用時間分片機(jī)制在協(xié)議之間共享射頻,從而在一個芯片上共同運(yùn)行多個無線協(xié)議的可能性。如此開辟出更多使用案例,尤其是當(dāng)Bluetooth smart與其他無線協(xié)議結(jié)合使用時。在這些使用案例中,最簡單的情況包括在通常運(yùn)行ZigBee、thread或一些其他無線協(xié)議的設(shè)備上定期使用Bluetooth信標(biāo)。

                例如,在零售照明網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)旁邊使用Bluetooth信標(biāo)以啟用近程感知應(yīng)用。如果零售商店配備受ZigBee控制的照明系統(tǒng),則已啟用ZigBee的照明裝置也可用來定期傳輸Bluetooth信標(biāo)。由于燈具往往在整個區(qū)域內(nèi)均勻間隔開,因此商店內(nèi)的照明不僅能以理想的方式提供照明,還能夠根據(jù)這些位置將信息傳輸?shù)皆O(shè)備。

                Bluetooth信標(biāo)用于通知設(shè)備的存在和服務(wù)。通過使用定期接收到的數(shù)據(jù)包所收到的信號強(qiáng)度 (RSSI) 測量結(jié)果,移動設(shè)備可以測定其與任何指定信標(biāo)的距離并判定其在靠近信標(biāo)還是遠(yuǎn)離信標(biāo)。通過監(jiān)控多個信標(biāo),可以準(zhǔn)確了解移動設(shè)備在商店內(nèi)的位置。在零售商店環(huán)境的示例中,Bluetooth信標(biāo)可用于提供優(yōu)惠券以及與購物者所處店內(nèi)位置相關(guān)的定制優(yōu)惠。商店會為購物者提供智能手機(jī)應(yīng)用,通過監(jiān)控商店各處的照明裝置發(fā)出的信標(biāo),該應(yīng)用可提供位置相關(guān)信息并根據(jù)附近的產(chǎn)品與服務(wù)打造交互式用戶體驗(yàn)。

                并發(fā)多協(xié)議

                從本質(zhì)上來說,這是一種特殊類型的動態(tài)多協(xié)議。對于共享相同MAC和PHY的多個無線協(xié)議,有可能避免在不同的PHY或調(diào)制之間切換射頻。尤其是,如果ZigBee和thread都位于IEEE 802.15.4 2.4GHz MAC/PHY,就有機(jī)會共享該P(yáng)HY并在一臺設(shè)備上同時高效運(yùn)行這兩個協(xié)議棧,因?yàn)樯漕l始終可用于這兩個協(xié)議棧。在相同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的ZigBee和thread之間進(jìn)行路由可能帶來非常有意義的前景。

                該使用案例和其他動態(tài)使用案例之間的區(qū)別在于,由于射頻協(xié)議或參數(shù)沒有變化,用戶離開網(wǎng)絡(luò)時沒有數(shù)據(jù)包丟失,因此盡管有兩個網(wǎng)絡(luò)/協(xié)議共享帶寬,用戶仍然不能同時接收ZigBee數(shù)據(jù)包和thread數(shù)據(jù)包,但普通CCA機(jī)制可用于避免沖突。

                同步多協(xié)議

                真正的同步操作的確需要兩個射頻,尤其是當(dāng)不同協(xié)議使用不同的無線電頻率時。如果應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議??稍趦蓚€甚至可能利用兩個完全不同頻率范圍的無線電之間操作,這將產(chǎn)生極大價值。這方面的一個示例為英國的智能電表,英國政府將在2020年之前為3,000 萬戶房屋部署雙PHY ZigBee通信集線器,從而實(shí)現(xiàn)家域網(wǎng),其中包括2.4GHz ZigBee設(shè)備和1 GHz以下的ZigBee設(shè)備(在863-876,915-921MHz條件下工作),這些設(shè)備保持在相同邏輯PAN上并通過通信集線器在不同無線電頻率的設(shè)備之間路由流量。

                應(yīng)用領(lǐng)域

                在一些地區(qū),智能照明開始展現(xiàn)出強(qiáng)勁的勢頭。我們已經(jīng)探討了消費(fèi)市場以及易用性在該市場中的重要性。我們還看到,在零售和醫(yī)療保健等商業(yè)應(yīng)用及路燈等市政用途領(lǐng)域,采用率也有所提高。每個應(yīng)用領(lǐng)域都具備獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和要求。在接下來的三份白皮書中,我們將詳細(xì)探討每個領(lǐng)域:

                智能家庭

                在該系列的下一部分,我們將探索消費(fèi)市場中的一些自動化智能照明解決方案,以及如何為互聯(lián)家庭應(yīng)用提供最新的低功耗MCU、無線技術(shù)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)(包括ZigBee和thread),從而更快地進(jìn)入這一市場。我們還將討論合適的無線協(xié)議棧、認(rèn)證模塊和參考設(shè)計(jì)所提供的優(yōu)勢。

                智能辦公樓

                此外,我們還將研究智能辦公樓和工廠,在這些環(huán)境中,通過利用合適的多個無線協(xié)議(包括ZigBee、 thread和Bluetooth)以及SoC和經(jīng)過認(rèn)證的無線協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)互聯(lián)節(jié)能LED照明,可節(jié)省大量能源,幫助實(shí)現(xiàn)個性化工作空間,優(yōu)化制造。

                智能城市

                智能照明可幫助打造更加安全的城市,降低能源成本并鼓勵社區(qū)參與。雖然智能城市包括智能辦公樓,但其覆蓋范圍遠(yuǎn)非如此。智能城市牽涉到的不只是龐大規(guī)模帶來的復(fù)雜性,還涉及有效和高效管理諸多供應(yīng)商。

              Ken Berringer silicon Labs IoT主系統(tǒng)工程師

              《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

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