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智能照明技术受到越来越多的重视,俨然已经成为物联网的第一波热潮。而智能照明网关则是这一波热潮中的关键一环。在未来可能预见到的爆发式增长中抓住它,将起到“执牛之耳”的作用。 【建材网】智能照明技术受到越来越多的重视,俨然已经成为物联网的靠前波热潮。而智能照明网关则是这一波热潮中的关键一环。在未来可能预见到的爆发式增长中抓住它,将起到“执牛之耳”的作用。  网关:为照明网络提供基础  时至今日,仍有两大关键问题需要解决:新旧系统的互联互通以及端到端的分析能力。  尽管物联网有“产业热,市场冷”的诟病,尚未迎来真正意义上的爆发期,但是智能照明具备安全、节能、舒适、高效等优势,在家居、办公等领域的应用却是前景可期,有望出现大规模取代传统照明的热潮。对此,恩智浦半导体全球照明产品线总经理RyanZahn指出:“客户体验将是影响智能照明市场爆发较为关键的因素之一。”  智能网关在照明系统中则扮演着重要角色。智能照明借助现有的计算机网络技术,将各种灯具连网,可通过网络实现对照明灯具的集中统一控制和管理。智能网关则是智能照明网络内部传输与控制中心,直接决定着智能照明网络能否可以快速建立。换句话说,网关为照明网络建设提供了一个基础。  英特尔公司物联网解决方案事业部产品市场和业务规划总监AdamBurns表示,物联网在世界范围内的发展势头越来越强。然而,时至今日,仍有两大关键问题需要解决:新旧系统的互联互通以及端到端的分析能力。我们认为,只有成功解决这两个问题,物联网才能得到长足发展。为了从原本独立的设备中高效获取有用数据并传送至云端,进而在云中进行整合、分析,智能网关是必不可少的。  现状:多网关方案长期存在  照明网关作为分布式或多个网关方案之一将在市场上大量、长期存在。  随着新的家庭网关产品的不断出现,不同类型的应用集中于一个装置将是家庭网关研究和开发的未来趋势。但是由于不同的外部接入网络特点各有不同,不同的服务提供商也存在不同的商业模式,因此在一段时间内很难有一个单一的家庭网关解决方案出现,照明网关作为分布式或多个网关方案之一将在市场大量、长期存在。  “智能照明网关系统可通过无线的方式实现对智能开关、插座等模块的集中管理和控制。根据户型的实际大小增加控制器的数量,从而解决无线距离有限的问题。照明网关把家中的电器和灯光集中管理起来,可以实现丰富的管理和控制功能。”RyanZahn表示。  村田制作所表示,目前我们所使用的末端设备如手机、PAD都带有Wi-Fi功能但没有ZigBee的通信功能,因此如果要用这些末端设备去进行控制,就需要一个信号转换的过程。网关就是起这种作用。村田为智能系统推出的网关,可在各种环境和情况下了解并控制整个智能系统,通过网络将照明、家电等住宅设施互相连接进行通信,即使不在家中也能够通过智能手机或平板电脑对家里的各种设备进行控制以及收集信息。  趋势:支持多通信标准  在Wi-Fi、GPRS等多种通信协议争相进入物联网之际,支持多通信标准的方案将成为未来发展趋势。  Zigbee一直是智能照明传输协议的主流技术。村田制作所表示,与其他的无线通信技术相比,ZigBee具有低功耗、低数据量、抗干扰性高、保密性高等特点。而且无法忽视的特点还有自动动态组网,以及自带簇群库(ZCL)的功能。这些特点让ZigBee在智能照明行业中的应用变得更方便、更简单。村田在智能照明中选用的也是ZigBee的通信方式。  但是,智能照明系统作为物联网系统之一,不仅通过ZigBee互联,在WiFi、GPRS等多种通信协议争相进入物联网之际,支持多通信标准的方案将成为未来发展趋势。  在技术方面,村田近日推出的迷你网关可实现2.4GHZ同频段的ZigBee和WiFi共存,使这两种无线通信方式在相同的频段同时工作,在互不干扰的前提下还能保持良好的性能;服务方面,村田提供迷你网关背后的一整套完善的解决方案设计服务,从高效稳定的无线通信软件设计到移动设备端应用软件系统和应用云服务软件开发,此外还提供如CE、OFCA、ZigBee和WiFi等各项认证要求的服务。  恩智浦半导体推出的LightPRO方案,网关负责WiFi路由器与JenNetIP或ZigBee协议套件之间的源代码转换。内网获取TCP/IP命令后,网关会将其转换为JenNetIp或ZigBee,并发送至无线照明控制单元。无线模块由RF接收器和MCU组成。它接收来自网关的命令并采取行动,管理和控制LED调光驱动。  Marvell也推出了“ZigBee+WIFI”方案,解决了射频距离及灵活性的问题,为消费者提供更佳的使用体验。  系统:让各种设备无缝协作  LightPRO模块可以作为一个公共应用层,让来自不同供应商的设备无缝协同工作。  网关毕竟只是智能照明系统中的一个组成部分,以它为基础实现更加灵活控制、多样化的功能才是问题的关键。基于照明网关,村田开发的智能照明系统包含了跟LED灯具连接的ZigBee模块以及不同类型的控制设备,比如遥控器、人体检测控制设备、照度传感设备、智能设备端的APP软件等,从而实现检测人体、照度调整、单色灯控制、色温灯控制、彩光(RGB)灯控制等功能。  RyanZahn也表示,在LightPRO控制楼宇照明的带网关系统中,每个网关可以操作多达500个节点,每个楼层可以有一个网关,该系统可以根据需要无限制扩展,只要向该系统添加更多网关即可。LightPRO方案对硬件要求简单且没有控制线,易于安装,分组灵活,可远程调光,可预设系统与场景设置都给用户带来了良好的使用体验。较重要的是,LightPRO模块可以作为一个公共应用层,让来自不同供应商的设备无缝协同工作。

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如果要问灯具从白炽灯发展到节能灯再到LED灯,下一步去路何方?每个人给出的答案或许不同,但智能照明很可能是LED灯下一步发展必然趋势。由于LED灯成本偏贵,单靠节能不能让消费者买单,但如果实现智能照明,具有拥有成本低、简单易用、灵活场景设置(可自动调光、自动调冷暖光)以及投资回报时间短等优势的话,消费者的买单意愿将趋于强烈。很显然,智能照明点燃了半导体厂商们想象的火花,让其绚烂的步伐也正在加快。

1 SDL系统

ZigBee阵营迎来曙光

商业智能照明领域具有灯的数量多、分散、动态效果要求酷炫可靠等特点,对智能照明系统提出了很高的要求。MacBee技术联盟率先在MacBee的灯控应用上提出SDL,很好的解决了商业智能照明的这个难题。

ZigBee联盟发布一个新的应用规范ZigBeeLightLink(ZigBee灯光连接),众多厂商基于新规范推出智能照明解决方案。

SDL通过向上逐层抽象,给照明效果设计者提供了简单易用的操作平台。SDL系统架构一般如下图所示:

LED照明控制无线化、物联网化是一个重要的发展趋势,手机、平板电脑等都可以实现对LED灯的调光调色,而这只需要一个芯片和控制端就可以实现。但无线智能照明也有不同的解法,目前针对不同类型的应用,有许多种无线协议栈源代码。对于内部网或互联网访问而言,最常使用的是WiFi。若需即时控制,则目前非常受欢迎的有JenNet-IP和ZigBee。网关负责TCP/IP和JenNet-IP或ZigBee协议栈源代码之间的转换。从整体可控制性、经济成本考虑,目前ZigBee、JenNet-IP这两种模式是最适合LED无线照明控制的。前者的阵营更广,TI、飞思卡尔、MarvELl等都在全力推进,后者则由恩智浦在力推。

图1-1 SDL系统架构

ZigBee技术自出现以来,市场表现一直叫好不叫座,但凭借自身的完善以及找到智能照明这一支点,ZigBee撬动了市场。去年ZigBee联盟发布一个新的应用规范ZigBeeLightLink(ZigBee灯光连接),

照明效果设计者可以在SDL的DIY平台自由设计灯控效果,也可直接导入图片、动画、视频等,直接转换成灯控效果。灯控效果为一些列的控制序列,存储于SDL控制中心,并通过IP网络、链路抽象层、无线网关下发给智能灯。

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整个系统的技术瓶颈在链路抽象层及其下的链路层,以及多灯同步。在照明领域,目前链路层技术实现呈现多样性,ZigBee、Bluetooth、MacBee、DALI、WiFi、GPRS等多种方案并存。

简化了设计,采用这一规范应用ZigBee网络控制灯光将更简单易用。德州仪器半导体技术(上海)有限公司业务拓展经理周翔介绍说,去年10月底飞利浦就发布了一款采用ZigBee灯光连接规范、售价199美元的可调控光源智能照明产品,包括三盏可调光LED灯和网关,网关集成了ZigBee+以太网接口,将网关用网线连接后,通过手机或平板电脑可下载HUE应用调节灯光亮度,大幅提高操作简易性。

建筑外墙、顶棚等大面积照明效果展示时,整体效果要达到比较柔顺的视觉效果,需要10fps以上的帧率、灯之间时间同步误差不超过50ms,这给链路层提出了很高的要求。要满足这个要求,链路层协议需要数据传输时延低、传输可靠、节点间时间同步性好。下面我们看看智能照明领域主流技术方案的情况。

TI借势发力,开发了芯片上系统(SoC)CC2538,在此前CC2530的基础上做了大幅改进,不仅将ARMCortex-M3、存储器以及硬件加速器高度集成,而且还支持ZigBee以及其它诸如802.15.4与6LoWPANIPv6等基于IP的标准。在最近TI举办的Demo演示上记者看到,开发板以CC2538芯片为主控,板上还包含一个LightLink的WiFi芯片,相当于WiFi+ZigBee的路由器。周翔介绍说,不同于传统WiFi芯片,TI的WiFi芯片把主要的协议栈集成在单芯片里,外围只有API应用接口就可以控制WiFi,手机通过WiFi连入到家庭网关后,CC2538可控制WiFi模块发布命令,对LED灯进行亮度调节,操作相当简便。目前已有客户基于此开发板做设计,开发工具已在网上公开,底层协议也是公开的,只要买TI的芯片就可以拿协议栈烧入标准芯片里做开发。德州仪器(TI)MCU业务拓展经理吴健鸿提到。

2 ZigBee

而美满(Marvell)采取的也是ZigBee+WiFi的路线。其全新的智能灯泡无线平台不仅将其低功耗AC/DC控制器和无线微控制器嵌入智能LED灯泡内,同时也包括一个简易的低成本ZigBee遥控器,一个基于MarvellWiFi微控制器模块的WiFi到ZigBee的专用照明桥接装置,以便灯泡直接与网关和无线路由器相连。

自2002年以来,ZigBee 联盟及其成员公司一直致力于为构建低功耗无线物联网(IoT)的可互操作产品创建标准、认证计划和测试工具。迄今应用ZigBee 标准的设备数量在全球已经超过十亿。

ZigBee将迎来新的曙光。从市场反馈来看,飞利浦上市的基于ZigBee的10万套智能照明系统很快就被售空,正是由于其为用户带来了全新的体验。周翔进一步提到,ZigBee智能照明方案已在北美商用和普及,也将在中国市场获得突破,但因传统灯具厂商还不太了解这一概念,所以市场培育还需一段时间。

作为一种无线通信技术,ZigBee 虽然只能在低速率、静态、高节点密度或数据传输控制少的网络中应用。在SDL应用中,ZigBee广播支持差,单播路由多跳转发后时间误差达到秒级,这使得基于ZigBee的SDL效果不尽人意。但由于其具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、安全可靠等特点,加上飞利浦、欧司朗的推动,已被越来越多主流厂商使用。

JenNet-IP更强调整体优势

3 蓝牙

一个智能照明系统模组、一个路由器网关,从网上免费下载一个无线智能控制软件,就能实现智能控制。

蓝牙5.0是蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)于2016年6月16日发布的新一代蓝牙标准。相比于蓝牙4.2,蓝牙5.0有全面的提升,无论是通信速度、通信距离还是通信容量都有大幅度的改善。而相比于其他无线技术:无线2.4G、WiFi等来说,蓝牙具有加密措施完善,传输过程稳定以及兼容设备丰富等诸多优点。但是蓝牙传输距离短,限制了组网的灵活性。

虽然众多大厂搭上ZigBee的快车,但恩智浦却剑走偏峰,提供的方案同时适用于这两种模式,但是JenNet-IP更强调方案的整体优势。

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