如何將無線技術(shù)融入到智能照明應(yīng)用設(shè)計中

ZigBee ?無線技術(shù)及其ZigBee Light Link（ZLL）配置文件（包括對網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的支持，智能家居應(yīng)用的基礎(chǔ)）已經(jīng)證明自己是智能照明應(yīng)用的強有力候選者。但是，ZigBee并沒有自己的市場。智能照明領(lǐng)域?qū)⑴畈l(fā)展，這吸引了其他無線技術(shù)供應(yīng)商參與競爭。每個人都聲稱自己有自己的優(yōu)勢。

本文以早期的TechZone智能照明文章為基礎(chǔ)，通過比較競爭無線技術(shù)與ZigBee的優(yōu)勢和劣勢。本文將概述硅供應(yīng)商提供的芯片和模塊，這些供應(yīng)商熱衷于說服照明設(shè)計師將其無線技術(shù)融入下一代智能照明產(chǎn)品中。

技術(shù)融合

已有許多嘗試賦予照明一定程度的“智慧”。早期的大部分工作都是以節(jié)能為目標，并以現(xiàn)有電力電纜作為數(shù)據(jù)走廊為基礎(chǔ)。照明也連接到檢測日光和/或移動的傳感器。這種系統(tǒng)是專有的，昂貴的，并且難以安裝。然而，今天，智能照明是家庭自動化的關(guān)鍵要素。當代系統(tǒng)與昔日的笨重產(chǎn)品不同，它融合了兩項年輕技術(shù) - 固態(tài)照明（SSL）和無線連接。 SSL可以提供各種亮度，顏色和溫度，使每個房間（甚至同一房間的不同部分）具有不同的氛圍，而無線連接使消費者可以輕松地從遙控設(shè)備中選擇環(huán)境（通常是智能手機）無論是在家里還是遠程（圖1）。

圖1：智能手機是控制智能照明的流行界面。 （圖片由ilumi提供）

雖然概念簡單，但設(shè)計無線照明的設(shè)備絕對不可能，并且照明工程師可以原諒避免將RF功能集成到他或她的下一個SSL設(shè)計中。但是，這種方法可能會導致錯失良機。好消息是，擁抱無線連接不再需要高水平的RF專業(yè)知識，因為半導體供應(yīng)商現(xiàn)在提供參考設(shè)計，開發(fā)工具和集成解決方案，第三方制造商可以提供需要很少或不需要的“插入式”模塊測試和分銷商推廣內(nèi)部設(shè)計服務(wù)，以幫助客戶入門。盡管如此，這個過程并非微不足道，挑戰(zhàn)始于選擇正確的無線技術(shù)。

基于技術(shù)成熟度和市場接受度的主要選擇 - 智能照明應(yīng)用基于藍牙Smart?技術(shù)在IEEE802.15.4物理層上，但使用不同的協(xié)議（例如，線程），Wi-Fi?，ZigBee和Z-Wave?。

藍牙智能與IEEE 802.15.4

藍牙智能是藍牙無線的低能耗版本（許多工程師仍稱該技術(shù)為“藍牙低能耗”）作為部分引入2010年的藍牙核心規(guī)范v4.0。它專為低功耗（電池）操作而設(shè)計，但仍提供健康的1 Mbps（原始數(shù)據(jù)）帶寬和數(shù)十米的范圍。與其他幾種流行的無線技術(shù)一樣，Bluetooth Smart在2.4 GHz（工業(yè)，科學，醫(yī)療[ISM]）頻譜分配中運行，主要是因為該頻段是免許可證的（盡管有規(guī)則定義了傳輸功率和操作的其他方面）。/p>

藍牙智能技術(shù)細節(jié)與“經(jīng)典”藍牙不同（例如，與傳統(tǒng)藍牙技術(shù)不同，藍牙智能通?？梢蕴幱凇拔催B接”狀態(tài)（省電）鏈接的兩端相互了解，但只在必要時連接，然后盡可能短的時間連接。一旦連接，藍牙智能切換到其37個數(shù)據(jù)通道之一（相比經(jīng)典藍牙79）和短數(shù)據(jù)傳輸使用自適應(yīng)跳頻[AFH]，無線電以偽隨機模式在信道之間翻轉(zhuǎn)。跳頻技術(shù)是一種流行的機制，可以避免使用2.4 GHz ISM頻段對其他設(shè)備的干擾。

作為經(jīng)典藍牙的衍生產(chǎn)品，藍牙智能背叛了其消費者的根源。這為智能家居應(yīng)用帶來了一些優(yōu)勢和一些缺點。主要優(yōu)勢是消費者熟悉，廣泛建立的生態(tài)系統(tǒng)和多供應(yīng)商供應(yīng)鏈。已建立的生態(tài)系統(tǒng)包括采用智能手機和平板電腦等移動設(shè)備，使智能照明控制應(yīng)用無需中間設(shè)備（如集線器或網(wǎng)關(guān)）即可與智能燈互操作 - 簡化安裝并降低成本。缺點是藍牙無線被設(shè)計為個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）技術(shù)，中央主控制器以星形拓撲結(jié)構(gòu)控制多個從屬設(shè)備。當使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)互連時，智能照明效果最佳，這樣除了控制器之外，各個節(jié)點（燈）可以相互通信以擴展范圍并啟用其他功能，例如同步燈組的操作。

一些藍牙智能芯片供應(yīng)商，特別是CSR及其CSRmesh?平臺，已推出網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)解決方案，以克服該技術(shù)缺乏對此拓撲結(jié)構(gòu)的支持。藍牙特別興趣小組（SIG）是藍牙技術(shù)的保管人，已宣布將在2016年某個時候的標準下一次更新中包含網(wǎng)狀支持（以及范圍和帶寬增強）。

藍牙智能還包括對IPv6的支持 - 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的最新版本 - 連接（盡管由芯片制造商設(shè)計工作解決方案，而且迄今為止很少有人這樣做），這將允許智能燈直接連接到所有其他連接到Internet的設(shè)備（以及未來的物聯(lián)網(wǎng)[IoT]），不需要智能手機或Wi-Fi路由器等網(wǎng)關(guān)的資源。這種連接的優(yōu)點可能不會立即顯而易見，但它會賦予系統(tǒng)高度的靈活性，例如，消費者可以將他們的照明控制權(quán)交給電力公司（這樣一些燈就可以了）在高需求期間變暗）以換取優(yōu)惠關(guān)稅。

有許多藍牙智能半導體供應(yīng)商，其中包括CSR，Dialog Semiconductor，Nordic Semiconductor和德州儀器（TI）等領(lǐng)先供應(yīng)商。對于不想從頭開始設(shè)計基于藍牙智能電路的困難的工程師，也有許多模塊供應(yīng)商。模塊通常具有合規(guī)性認證，但比基于分立元件的設(shè)計占用更多空間和成本。關(guān)鍵模塊供應(yīng)商是Anaren，Laird，CEL和Taiyo Yuden（圖2）。

圖2：Taiyo Yuden的藍牙智能模塊將經(jīng)過預(yù)認證的解決方案打包成12.9 x 9.6毫米的包裝。

美國制造商ilumi就是使用藍牙智能的公司的一個很好的例子其照明解決方案中的無線連接。 ilumi的Smartbulb使用Nordic Semiconductor的藍牙智能無線連接。

除ZigBee外，Bluetooth Smart的競爭還來自其他基于IEEE 802.15.4的技術(shù)。 IEEE 802.15.4定義了低功率無線個域網(wǎng)的物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）。競爭技術(shù)，例如MiWi，WirelessHART和ZigBee，MAC和PHY層如何與更高層互補，以確定技術(shù)的全部功能。

最新的IEEE 802.15.4之一基于Thread的無線介紹專為家庭自動化應(yīng)用而設(shè)計。通過采用IEEE 802.15.4，Thread繼承了具有250 kbps（原始數(shù)據(jù)）帶寬和數(shù)十米范圍的2.4 GHz無線電。該技術(shù)支持包含多達250個設(shè)備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 Thread與其他IEEE 802.15.4技術(shù)（如ZigBee）之間的關(guān)鍵區(qū)別在于增加了IPv6低功耗無線個人局域網(wǎng)[6LoWPAN]）層，該層為該技術(shù)提供了IPv6支持，為物聯(lián)網(wǎng)連接提供“未來驗證” - 根據(jù)Thread Group的說法，下一代家庭自動化應(yīng)用程序（圖3）。該組還聲稱Thread比“其他一些無線協(xié)議”更安全。

圖3：線程的堆棧包括一個6LoWPAN層。 IEEE 802.15.4 MAC和PHY。

Thread的主要優(yōu)勢在于其支持來自ARM，飛思卡爾半導體，Nest Labs，歐司朗，高通，三星電子和Silicon Labs等大型組織。集團的220名成員。 （盡管使用部分基于Google IP的技術(shù)（通過收購Nest Labs）也可能導致一些OEM回避Thread。）該技術(shù)的缺點是帶寬相對有限 - 這可能會限制系統(tǒng)的功能 - 智能手機互操作性以及迄今為止非常有限的商業(yè)半導體解決方案。

成熟的替代方案

Wi-Fi可能擁有所有競爭家庭自動化無線技術(shù)的最大優(yōu)勢：它已經(jīng)占據(jù)了很大比例的家庭。現(xiàn)有的Wi-Fi路由器可以很容易地用于將智能照明系統(tǒng)連接到家庭的計算設(shè)備，電視和機頂盒上。

Wi-Fi基于IEEE 802.11標準并且（主要）在2.4和5 GHz頻譜分配中運行。該技術(shù)的許多版本都是可用的，但是流行的IEEE 802.11n類型提供70-Mbps（原始數(shù)據(jù)）帶寬和室內(nèi)最遠70米的范圍。該技術(shù)基于IP，圍繞中心集線器（無線接入點）設(shè)計，與“星形”拓撲中的外圍設(shè)備通信（形成局域網(wǎng)[LAN]）。 Wi-Fi Direct允許點對點連接 - 這將允許智能手機和平板電腦等移動設(shè)備在需要時直接控制智能燈，盡管更可能的操作情況是通過集線器從智能手機控制 - 但是不支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

Wi-Fi作為智能照明無線連接系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于其無處不在（因此消費者的熟悉程度）和廣泛的可用性。領(lǐng)先的Wi-Fi芯片供應(yīng)商包括Microchip，STMicroelectronics和TI。模塊供應(yīng)商包括GainSpan和Atmel。該技術(shù)還提供了良好的帶寬，這似乎不是智能照明應(yīng)用的直接優(yōu)勢，但確實為未來發(fā)展提供了空間（例如，快速無線固件升級以增強智能照明的功能）。

一個不錯的模塊示例是Atmel的SmartConnect設(shè)備（其中一些還包括藍牙v4.0功能）。例如，WINC1500物聯(lián)網(wǎng)模塊是針對家庭自動化應(yīng)用的IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi產(chǎn)品，包括智能照明，該公司聲稱該產(chǎn)品已經(jīng)過預(yù)認證，可供設(shè)計人員使用，以增加無線連接功能。需要IP堆棧或RF經(jīng)驗。

智能照明無線連接的Wi-Fi缺點是缺乏網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)支持，與其他低功耗無線解決方案相比，復雜性和成本增加，以及功耗（帶寬和范圍成本功率）。雖然有人認為功耗不是主電源照明的問題（盡管從熱管理的角度來看，更強大的功率會產(chǎn)生更多的熱量）但它確實成為其他家庭自動化應(yīng)用的問題。電池供電（例如，門窗鎖）。這種情況需要家庭擁抱至少兩種無線技術(shù)才能完全裝備他們的智能家居。

LED制造商和照明公司歐司朗為其LIGHTIFY LED智能照明選擇了Wi-Fi連接。燈泡可以通過智能手機應(yīng)用程序直接擰入傳統(tǒng)燈具，使用戶可以控制顏色，溫度和調(diào)光。智能燈泡通過網(wǎng)關(guān)進行通信，網(wǎng)關(guān)又連接到家用Wi-Fi路由器（圖4）。

圖4：OSRAM LIGHTIFY是通過連接到家庭Wi-Fi路由器的網(wǎng)關(guān)進行控制。

Z-Wave與此處描述的其他低功耗無線產(chǎn)品的不同之處在于它是一種低于1 GHz的技術(shù)。工作頻率因地理區(qū)域而異（例如，Z-Wave工作在美國的908.4 MHz頻段和歐洲的868.4 MHz頻段）。這確實意味著它避免了擁擠的2.4 GHz頻段，盡管該技術(shù)仍然受到無繩電話等設(shè)備的干擾。該技術(shù)由丹麥公司引入，該公司于2008年被Sigma Designs收購，并主要用于家庭自動化應(yīng)用，如照明，恒溫器和門鎖。 Z-Wave提供網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能（最多232個設(shè)備），30米范圍和高達100 kbps的（原始數(shù)據(jù)）帶寬。沒有對IPv6的支持。

Z-Wave確實比競爭技術(shù)提供了一些優(yōu)勢。其中最主要的是技術(shù)的成熟度和經(jīng)過驗證的互操作性。有325家公司聯(lián)盟支持該標準，包括一些主要的安全，照明和家庭自動化公司。根據(jù)該聯(lián)盟，市場上有超過1,300種經(jīng)過認證的設(shè)備，并且銷售了3500萬個兼容設(shè)備。該聯(lián)盟還聲稱，Z-Wave是唯一能夠提供應(yīng)用級互操作性并保持所有版本向后兼容性的無線技術(shù)

缺點是Z-Wave缺乏與移動設(shè)備的互操作性，沒有IPv6支持和適度的帶寬可能會限制未來的適應(yīng)。 Sigma Designs的商業(yè)模式是授權(quán)Z-Wave，這可能意味著它比競爭技術(shù)更昂貴。此外，作為Z-Wave的所有者，Sigma Designs實際上壟斷了硅片（還有一家供應(yīng)商，一家小型日本半導體公司）可能會限制其對某些OEM的吸引力。

，Sigma Designs確實提供各種Z-Wave芯片和模塊。例如，ZM5101將Z-Wave SD3502 SoC（內(nèi)置微控制器和Z-Wave RF收發(fā)器），晶體和無源RF元件組合在一個8 x 8 mm封裝內(nèi)（圖5）。 ZM5202是一個預(yù)先認證的模塊，它將類似的電路集成到ZM5101 SoC。

圖5：Sigma Designs的Z-Wave系統(tǒng) - 在封裝包括許多用于控制和調(diào)光智能照明的I/O.

Linear LLC（不要與芯片制造商凌力爾特公司混淆）是一家美國公司，生產(chǎn)一系列Z-Wave家庭自動化產(chǎn)品。它最近發(fā)布了一款Z-Wave可控，可完全調(diào)光的LED旋入式燈泡，該公司聲稱該燈泡可提供超過22年的使用壽命，并可通過兼容的集線器進行遠程控制。

未來的互操作性

由于市場上存在許多競爭技術(shù)，因此智能家居市場將大受歡迎。目前，硅制造商正在通過支持多種無線協(xié)議（通常在同一芯片上）來對沖他們的賭注，而目前的智能燈泡制造商正在幾個陣營中占據(jù)一席之地（例如，歐司朗另外制造了其LIGHTIFY智能燈泡的ZigBee版本） 。

這使得為智能燈項目選擇無線技術(shù)變得困難。關(guān)鍵選擇標準應(yīng)包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，智能手機互操作性，合理的范圍和帶寬，廣泛的行業(yè)支持和低功耗。沒有明確的領(lǐng)導者，因為大多數(shù)無線技術(shù)并非專門針對家庭自動化應(yīng)用而開發(fā)，因此已經(jīng)過調(diào)整以適應(yīng)不可避免的妥協(xié)。少數(shù)幾個聲稱專門針對智能家居的產(chǎn)品是幾年前開發(fā)的，通常沒有考慮消費者如何接受移動技術(shù)。 [1]

今天，基于IEEE 802.15.4的技術(shù)之一似乎是一個不錯的選擇（盡管需要網(wǎng)關(guān)來確保智能手機的兼容性），但如果Bluetooth Smart的增強版（2016年到期）可以實現(xiàn)其承諾的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，帶寬和范圍改進，它的智能手機互操作性可能會讓它獲得優(yōu)勢。

從長遠來看，確保所選技術(shù)提供（或計劃提供）IPv6支持（例如，以6LoWPAN的形式）是值得的。因為這確實保證了不同協(xié)議（特別是基于IEEE 802.15.4的技術(shù)）與真正的物聯(lián)網(wǎng)連接之間的一定程度的互操作性。 IPv6似乎是實現(xiàn)“全球家庭自動化標準”的最有可能的途徑。