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來源：中国照明网

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。

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。

Smart Lighting Market by product types, light source ...

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。

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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。

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。

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)。

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。