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3S MARKET

2019年7月12日 星期五

Smart Bulbs - Everything you need to know | IoT

來源: 中国照明网




Smart Lighting Market Trends

聯網照明,是智慧家庭的一個重要市場。然而,應用看似簡單的聯網照明,落實設計其實很複雜,需要可靠性、互通性和安全性,IEEE 802.15.4 等無線技術與軟體定義,將助力這個市場實現。

對此,Silicon Labs (亦稱「芯科科技」)軟體業務副總裁 Skip Ashton 先生,近期接受行業媒體專訪,針對聯網照明及相關無線多協議技術,與應用發展趨勢,進行詳細的介紹與說明。


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Silicon Labs軟體業務副總裁Skip Ashton先生



聯網照明市場
聯網智慧照明,也許是智慧家庭市場的一個殺手級應用。據 Silicon Labs 介紹,其 Zigbee 生意過去幾年,每年的成長率都在40%~50%,智慧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現自己的競爭優勢,例如 Philips 做的產品是價格,相對較高的高品質的多光照功能產品,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,可以適用於更大量的消費人群,其產品不能隨著音樂調節顏色,也沒有像 Philips 產品那樣,需要控制網管設備,但是價格非常低。

此外,在智慧家庭應用中,有的人喜歡智慧門鎖,有的人喜歡智慧調溫器,首先就是讓這些設備聯入網路,同時還要能夠良好工作。
軟體定義無線
物聯網產品中非常有趣的事情,是很多解決方案依靠的是軟體。不過,大部分半導體公司認為,自己的產品是晶片,但如果把晶片和軟體封裝在一起會變得非常強大,因為無線產品的特點之一,就是軟體解決方案。


A Smart Lighting Market 2015: the Spring 2015 Hong Kong Lighting ...

聯網照明的複雜性
聯網照明是物聯網中,一個日漸活躍的應用。燈泡廠家很擅長於結合各種,玻璃和發光二極管(LED)等微電子技術,來製造各種燈泡,但是往往對於嵌入式網狀網(Mesh),及無線連接等,並不那麼在行。

當他們在設計無線照明開關時,沒有足夠多的技能,來應對嵌入式軟體和無線連接方面的挑戰,所以半導體公司必須提供,更完善的解決方案,而且它們必須是易於使用的。

這背後實現起來很複雜。因為照明和手機、電腦的的使用體驗不同。作為照明使用者,當你使用電燈開關時很簡單,希望撥動開關燈光就發生變化,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,是否是因為網路連接有問題。但手機和電腦並不這樣,手機和電腦如果是因為網路連接引起的中斷,大家都可以接受。

因此,現在使用聯網照明,用戶仍然希望隨時都可以立即啓用。所以聯網照明就是在針對最簡單的設備,去做最複雜的工作,去實現非常高的可靠性。

這也是物聯網市場成長過程中,要面臨的一個挑戰,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介面。

而對於晶片廠商而言,就必須要提供晶片模組,以及開發工具和軟體,來助力實現這一切,並在出現問題時,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;而現在就是要幫助客戶進行全面分析,是否是網路沒有把資訊送到開關之上,還是遇到了安全性問題,也就是我們要幫助客戶去搞清楚,網路到底是否在良好地工作。





低成本需求
物聯網產品必須降低成本,因為消費者需要將連接功能,整合到產品中。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。可見下降的速度很快。如果 LED 燈泡做到 3 美元/個,再加 2 美元物聯網的部分,這才是較為合理的。

因為儘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。這是物聯網走向上億級出貨,和實現普及面臨的障礙之一,所以成本必須要降下來。

這促使晶片公司去做更多的整合,把感測器、MCU、RF,甚至電源管理,全部都整合在一個晶片上,以減少元器件的數量,從而使製造商降低物聯網產品的總成本。




802.15.4 Zigbee/Thread無線連接升溫
市場上有多協議 SoC,所以包括非常實用的 15.4  Zigbee/Thread 連接,也有藍牙、WiFi 等連接能力。現在的關鍵問題,是消費者更喜歡用哪種協議如何使用它們呢

目前看,如果一家製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。但是對於許多設備,Wi-Fi並不是合理的連接,所以還需要跟蹤,其他可以支持這些設備的協議。

比如在聯網照明領域中,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。

在機上盒等其他領域內,也有諸如 Comcast 等很多領先的公司選擇了 Zigbee 到乙太網、Zigbee 到 WiFi 等方式。那麼,這對每個人的家裡意味著什麼呢?

為了去連接互聯網,每個家庭裡都有很多盒子,來作為連接匯聚點(Hub),例如 Philips 的盒子、Osram 的盒子,還有用於其他智慧控制的盒子。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.營運商提供的接入設備,諸如機上盒、家用路由器;

2.Wi-Fi熱點類設備,它們也許是由營運商提供,也許是為了更好的覆蓋而自行購買;

3.語音、音視訊接入和控制產品,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。


联网照明如此复杂 该如何才能实现?



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)美國聯邦通信委員會( FCC )對接入設備進行公告的資訊,以及盒子廠商註冊時的產品資訊,可列出表1。


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從表1 可見,服務提供商的機上盒等寬頻接入盒子,已經具備了 15.4 連接功能。如 Verizon 最新的 Fios 機上盒,提供光纖到戶寬頻連接;領先服務提供商 Comcast 提供的家用接入終端,除了能夠接入寬頻網路以外,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。可見,許多營運商已經為機上盒或者寬頻網管,提供了 15.4 連接功能。

表1 中列是在家裡用於 WiFi 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 WiFi 功能之外,加上了 15.4 連接能力。

又如高通於 2017 年 5 月底在 Computex 展會上,宣佈做了一個參考設計,把 WiFi、Bluetooth,再加 15.4 (本來就是Mesh )這三種協議結合在一起,做成了一個接入設備參考平台,提供給硬體設備生產商來採用。

最右側是音視訊控制設備,如Nest的控制器、溫控器或者攝影機都在走向無線,都具有 15.4 無線連接,而成為家裡的 15.4 路由匯集中心。

可見,現在各廠商都在做更高的整合,因而可以取代多種設備,家裡就沒有這麼多盒子了。雖然還不一定發現 15.4 連接,但是這些產品除了提供 WiFi 以外,現在還提供 Zigbee 連接。

在中國也一樣,無論是電視營運商,還是騰訊、阿里巴巴等網路商,都很想把觸角深入到家庭,而不只是在電視、電腦和手機平台上,他們也很關注把 Zigbee 帶入到家庭裡面去。大家都在找新的應用領域。

這樣的好處是,這些廠商在進入智慧家提市場時,因為其設備已經具備了 15.4 功能,所以就沒有額外的成本,和更大的複雜性。當然,最終以什麼方式進入不同的垂直生態,這取決於不同的營運商,例如Comcast是美國的大型營運商之一,其機上盒產品,主要是為自己的營運服務。其他的很多廠商則喜歡開放的系統,可以連接到任何設備。所以還要看其最終的商業計劃和最終的功能配置。



聯網照明新品競相登場
聯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 聯網照明,第二大類是 Zigbee 家庭自動化,兩者加起來佔總認證數量的 75% 。聯網照明因為發展迅速,而成為了關注的焦點。

如果深入其中,就會發現照明領域,有許多公司(如表2 )。從全球聯網照明產品發展趨勢來看,主要包括照明產品和控制器兩部分。表2 是聯網照明市場上主要公司的資訊,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說明瞭這些領先聯網照明廠商在 Zigbee/Thread 聯盟中扮演的角色,會員(M)在聯盟中是一般身份,而董事會成員(B)則可以指導聯盟的發展方向。

在聯盟中,大家都關注 Zigbee、Thread 和 Zwave 的發展方向,後者是美國的一種 Sub-GHz 協議,即低於 1GHz 的私有協議(注:關注 Zwave 主要不是因為照明,而是用於家庭保全)。

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許多照明行業的公司,多年來一直涉足 Zigbee 和 Thread 技術,比如 Philips 在聯盟中非常活躍,它作為 Zigbee 聯盟的董事會成員,幫助定義了 Zigbee 的規範;Osram 也一直支持 Zigbee ,但是它作為 Thread 聯盟的董事會成員,而積極致力於基於 IP 的連接。

目前大家主要的關注點還是Zigbee,而Thread相關的發佈目前還較少,儘管有許多公司致力於Thread,但是Thread產品還沒有實際發貨,而Zigbee已有非常大的發貨量。

因此, Zigbee 和 Thread 作為 Mesh 網路,可以在家裡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裡,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 網路。




互通性非常重要
互通性在聯網照明中非常重要,因為所有房間只購買一種燈泡的機會很小。所以對於聯網照明,各家供應商之間,一定要達成協議,而建立互操作性。

多協議共存
現在越來越多的設備中有 WiFi 和 Zigbee,或者 WiFi 和各種語音及視訊控制,處於同一設備中。所以許多設計中,都同時使用了兩種協議,WiFi 和 Zigbee 的共存是一個非常重要的話題。

Silicon Labs 公司就 WiFi 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/模組中時,主要有三個問題:

第一,這兩種協議進入同一個設備後,在有限的空間中相互緊挨著時,射頻(radio)部分相互衝突;

第二,WiFi 的發射功率高達 20 多甚至 30 多 dBm,其嗓門很大可能會淹沒了Zigbee;

第三,WiFi 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佔了,而且 WiFi 用了很多備用頻段。當我們在自己的實驗室裡做測試時,WiFi 總是搶佔了絕大多數資源。

在實驗室裡,Silicon Labs 公司與 Philips 一起來研究,帶有 Zigbee 和 WiFi 的接入中心 (hub),WiFi 總是搶奪了 hub 中的 Zigbee 的通信資源,WiFi 甚至佔有了 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 WiFi 推送視訊時,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。

解決方案是透過一個仲裁機制,讓它們之間進行合作,以防出現過多的數據包失效;因此它們之間在共存於一台設備之上時,實現了我在傳輸數據時告訴你、你也在傳輸數據時告訴我,然後再透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 WiFi 和 15.4 之間,透過 3 條或者 4 條板上的連線,在設計中讓它們彼此協作(圖1)。

這種工作方式類似於手機裡的 connectivity (連接)晶片中, WiFi 和 Bluetooth 整合在一起的時候。WiFi 最重要的是保證QoS (服務品質)。

這種協調機制,是以軟體的方式來實現的。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現在把自己的軟體提供給聯發科技 (MTK) 和博通等,做WiFi 熱點接入的晶片公司,避免干擾他們的晶片,同時也讓雙方都能更好的工作。可見只有協調起來,才能使 WiFi 和 Zigbee 能夠共存。



多協議晶片的優勢
多協議晶片的成本,比 3 個單獨的晶片加起來要便宜很多,因為在多協議晶片中不同的協議,可以共用同一個 Flash 和 Memory。

因此,Silicon Labs 的很多客戶,都是快速轉向多協議晶片,因為一方面的優勢是可以提升用戶體驗,另一方面的優勢,是開發便利性,因為用戶可以在一個晶片上開發一次,就可以針對不同的應用,去做最終的產品。

多協議晶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,運行不同的協議。

諸如在配置一個晶片時,晶片一開始就有藍牙的協議棧,你用自己的手機用藍牙下載軟體,去配置Thread等功能,配置完之後,就可以以 Thread 協議棧重啓,所以透過使用同一個儲存器,而不會產生額外的成本,可以從藍牙開始,而實現了 Thread的 開發;如果我們要重新開發,那麼只需要重新加載藍牙協議棧;這樣我們既可以實現用 Zigbee 去控制燈泡,也可以實現信標(beacon)的功能。

據悉,Silicon Labs的多協議晶片,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啓和載入;另一種是動態性轉換,可以透過軟體在工作時,即時進行兩種協議的轉換。

當前,多協議晶片非常受歡迎,因為就用戶體驗而言,開發的複雜程度會大大降低。





軟體在 IoT 晶片中的重要性
市面上有很多無線晶片與 MCU (微控制器)公司,但是 Silicon Labs 似乎對軟體更重視,原因是什麼

Skip Ashton 稱,設計這種多協議產品,還是很有挑戰性的,包括怎麼在實際使用時,用軟體去切換射頻,怎麼用軟體去調用不同的協議棧,怎麼去設定安全性指標等等。

實際上,正是因為 Silicon Labs 的 IoT 部門,是從軟體團隊起家的(原來在 Ember 公司),所以能夠很好地應對這個挑戰。但是對於傳統的半導體公司,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議棧,這對於許多大型半導體公司,並不是一個容易解決的問題。
傳統半導體公司的商業模式,是派五個現場應用工程師(FAE),到做接入熱點設備的公司,去幫助他們解決問題,把參考方案變成現實的解決方案工作起來,就可以賣出5000萬晶片的量。但是對於做物聯網晶片的公司很難,因為必須賣給上百家應用公司,每家可能只能賣出100萬晶片。

而且從軟體的角度來看,每一家的問題都各不相同。FAE可以在現場解決各種問題,但是不能把工程師派到每家客戶那裡。因此物聯網時代,更多是要靠軟體來自我優化,而不是靠更多的工程師去現場提供支持。223171206

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