如何将无线技术融入到智能照明应用设计中

ZigBee ®无线技术及其ZigBee Light Link（ZLL）配置文件（包括对网状网络的支持，智能家居应用的基础）已经证明自己是智能照明应用的强有力候选者。但是，ZigBee并没有自己的市场。智能照明领域将蓬勃发展，这吸引了其他无线技术供应商参与竞争。每个人都声称自己有自己的优势。

本文以早期的TechZone智能照明文章为基础，通过比较竞争无线技术与ZigBee的优势和劣势。本文将概述硅供应商提供的芯片和模块，这些供应商热衷于说服照明设计师将其无线技术融入下一代智能照明产品中。

技术融合

已有许多尝试赋予照明一定程度的“智慧”。早期的大部分工作都是以节能为目标，并以现有电力电缆作为数据走廊为基础。照明也连接到检测日光和/或移动的传感器。这种系统是专有的，昂贵的，并且难以安装。然而，今天，智能照明是家庭自动化的关键要素。当代系统与昔日的笨重产品不同，它融合了两项年轻技术 - 固态照明（SSL）和无线连接。 SSL可以提供各种亮度，颜色和温度，使每个房间（甚至同一房间的不同部分）具有不同的氛围，而无线连接使消费者可以轻松地从遥控设备中选择环境（通常是智能手机）无论是在家里还是远程（图1）。

图1：智能手机是控制智能照明的流行界面。 （图片由ilumi提供）

虽然概念简单，但设计无线照明的设备绝对不可能，并且照明工程师可以原谅避免将RF功能集成到他或她的下一个SSL设计中。但是，这种方法可能会导致错失良机。好消息是，拥抱无线连接不再需要高水平的RF专业知识，因为半导体供应商现在提供参考设计，开发工具和集成解决方案，第三方制造商可以提供需要很少或不需要的“插入式”模块测试和分销商推广内部设计服务，以帮助客户入门。尽管如此，这个过程并非微不足道，挑战始于选择正确的无线技术。

基于技术成熟度和市场接受度的主要选择 - 智能照明应用基于蓝牙Smart®技术在IEEE802.15.4物理层上，但使用不同的协议（例如，线程），Wi-Fi®，ZigBee和Z-Wave®。

蓝牙智能与IEEE 802.15.4

蓝牙智能是蓝牙无线的低能耗版本（许多工程师仍称该技术为“蓝牙低能耗”）作为部分引入2010年的蓝牙核心规范v4.0。它专为低功耗（电池）操作而设计，但仍提供健康的1 Mbps（原始数据）带宽和数十米的范围。与其他几种流行的无线技术一样，Bluetooth Smart在2.4 GHz（工业，科学，医疗[ISM]）频谱分配中运行，主要是因为该频段是免许可证的（尽管有规则定义了传输功率和操作的其他方面）。/p>

蓝牙智能技术细节与“经典”蓝牙不同（例如，与传统蓝牙技术不同，蓝牙智能通常可以处于“未连接”状态（省电）链接的两端相互了解，但只在必要时连接，然后尽可能短的时间连接。一旦连接，蓝牙智能切换到其37个数据通道之一（相比经典蓝牙79）和短数据传输使用自适应跳频[AFH]，无线电以伪随机模式在信道之间翻转。跳频技术是一种流行的机制，可以避免使用2.4 GHz ISM频段对其他设备的干扰。

作为经典蓝牙的衍生产品，蓝牙智能背叛了其消费者的根源。这为智能家居应用带来了一些优势和一些缺点。主要优势是消费者熟悉，广泛建立的生态系统和多供应商供应链。已建立的生态系统包括采用智能手机和平板电脑等移动设备，使智能照明控制应用无需中间设备（如集线器或网关）即可与智能灯互操作 - 简化安装并降低成本。缺点是蓝牙无线被设计为个人区域网络（PAN）技术，中央主控制器以星形拓扑结构控制多个从属设备。当使用网状网络互连时，智能照明效果最佳，这样除了控制器之外，各个节点（灯）可以相互通信以扩展范围并启用其他功能，例如同步灯组的操作。

一些蓝牙智能芯片供应商，特别是CSR及其CSRmesh™平台，已推出网状网络解决方案，以克服该技术缺乏对此拓扑结构的支持。蓝牙特别兴趣小组（SIG）是蓝牙技术的保管人，已宣布将在2016年某个时候的标准下一次更新中包含网状支持（以及范围和带宽增强）。

蓝牙智能还包括对IPv6的支持 - 互联网协议的最新版本 - 连接（尽管由芯片制造商设计工作解决方案，而且迄今为止很少有人这样做），这将允许智能灯直接连接到所有其他连接到Internet的设备（以及未来的物联网[IoT]），不需要智能手机或Wi-Fi路由器等网关的资源。这种连接的优点可能不会立即显而易见，但它会赋予系统高度的灵活性，例如，消费者可以将他们的照明控制权交给电力公司（这样一些灯就可以了）在高需求期间变暗）以换取优惠关税。

有许多蓝牙智能半导体供应商，其中包括CSR，Dialog Semiconductor，Nordic Semiconductor和德州仪器（TI）等领先供应商。对于不想从头开始设计基于蓝牙智能电路的困难的工程师，也有许多模块供应商。模块通常具有合规性认证，但比基于分立元件的设计占用更多空间和成本。关键模块供应商是Anaren，Laird，CEL和Taiyo Yuden（图2）。

图2：Taiyo Yuden的蓝牙智能模块将经过预认证的解决方案打包成12.9 x 9.6毫米的包装。

美国制造商ilumi就是使用蓝牙智能的公司的一个很好的例子其照明解决方案中的无线连接。 ilumi的Smartbulb使用Nordic Semiconductor的蓝牙智能无线连接。

除ZigBee外，Bluetooth Smart的竞争还来自其他基于IEEE 802.15.4的技术。 IEEE 802.15.4定义了低功率无线个域网的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）。竞争技术，例如MiWi，WirelessHART和ZigBee，MAC和PHY层如何与更高层互补，以确定技术的全部功能。

最新的IEEE 802.15.4之一基于Thread的无线介绍专为家庭自动化应用而设计。通过采用IEEE 802.15.4，Thread继承了具有250 kbps（原始数据）带宽和数十米范围的2.4 GHz无线电。该技术支持包含多达250个设备的网状网络。 Thread与其他IEEE 802.15.4技术（如ZigBee）之间的关键区别在于增加了IPv6低功耗无线个人局域网[6LoWPAN]）层，该层为该技术提供了IPv6支持，为物联网连接提供“未来验证” - 根据Thread Group的说法，下一代家庭自动化应用程序（图3）。该组还声称Thread比“其他一些无线协议”更安全。

图3：线程的堆栈包括一个6LoWPAN层。 IEEE 802.15.4 MAC和PHY。

Thread的主要优势在于其支持来自ARM，飞思卡尔半导体，Nest Labs，欧司朗，高通，三星电子和Silicon Labs等大型组织。集团的220名成员。 （尽管使用部分基于Google IP的技术（通过收购Nest Labs）也可能导致一些OEM回避Thread。）该技术的缺点是带宽相对有限 - 这可能会限制系统的功能 - 智能手机互操作性以及迄今为止非常有限的商业半导体解决方案。

成熟的替代方案

Wi-Fi可能拥有所有竞争家庭自动化无线技术的最大优势：它已经占据了很大比例的家庭。现有的Wi-Fi路由器可以很容易地用于将智能照明系统连接到家庭的计算设备，电视和机顶盒上。

Wi-Fi基于IEEE 802.11标准并且（主要）在2.4和5 GHz频谱分配中运行。该技术的许多版本都是可用的，但是流行的IEEE 802.11n类型提供70-Mbps（原始数据）带宽和室内最远70米的范围。该技术基于IP，围绕中心集线器（无线接入点）设计，与“星形”拓扑中的外围设备通信（形成局域网[LAN]）。 Wi-Fi Direct允许点对点连接 - 这将允许智能手机和平板电脑等移动设备在需要时直接控制智能灯，尽管更可能的操作情况是通过集线器从智能手机控制 - 但是不支持网状网络。

Wi-Fi作为智能照明无线连接系统的主要优势在于其无处不在（因此消费者的熟悉程度）和广泛的可用性。领先的Wi-Fi芯片供应商包括Microchip，STMicroelectronics和TI。模块供应商包括GainSpan和Atmel。该技术还提供了良好的带宽，这似乎不是智能照明应用的直接优势，但确实为未来发展提供了空间（例如，快速无线固件升级以增强智能照明的功能）。

一个不错的模块示例是Atmel的SmartConnect设备（其中一些还包括蓝牙v4.0功能）。例如，WINC1500物联网模块是针对家庭自动化应用的IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi产品，包括智能照明，该公司声称该产品已经过预认证，可供设计人员使用，以增加无线连接功能。需要IP堆栈或RF经验。

智能照明无线连接的Wi-Fi缺点是缺乏网状网络支持，与其他低功耗无线解决方案相比，复杂性和成本增加，以及功耗（带宽和范围成本功率）。虽然有人认为功耗不是主电源照明的问题（尽管从热管理的角度来看，更强大的功率会产生更多的热量）但它确实成为其他家庭自动化应用的问题。电池供电（例如，门窗锁）。这种情况需要家庭拥抱至少两种无线技术才能完全装备他们的智能家居。

LED制造商和照明公司欧司朗为其LIGHTIFY LED智能照明选择了Wi-Fi连接。灯泡可以通过智能手机应用程序直接拧入传统灯具，使用户可以控制颜色，温度和调光。智能灯泡通过网关进行通信，网关又连接到家用Wi-Fi路由器（图4）。

图4：OSRAM LIGHTIFY是通过连接到家庭Wi-Fi路由器的网关进行控制。

Z-Wave与此处描述的其他低功耗无线产品的不同之处在于它是一种低于1 GHz的技术。工作频率因地理区域而异（例如，Z-Wave工作在美国的908.4 MHz频段和欧洲的868.4 MHz频段）。这确实意味着它避免了拥挤的2.4 GHz频段，尽管该技术仍然受到无绳电话等设备的干扰。该技术由丹麦公司引入，该公司于2008年被Sigma Designs收购，并主要用于家庭自动化应用，如照明，恒温器和门锁。 Z-Wave提供网状网络功能（最多232个设备），30米范围和高达100 kbps的（原始数据）带宽。没有对IPv6的支持。

Z-Wave确实比竞争技术提供了一些优势。其中最主要的是技术的成熟度和经过验证的互操作性。有325家公司联盟支持该标准，包括一些主要的安全，照明和家庭自动化公司。根据该联盟，市场上有超过1,300种经过认证的设备，并且销售了3500万个兼容设备。该联盟还声称，Z-Wave是唯一能够提供应用级互操作性并保持所有版本向后兼容性的无线技术

缺点是Z-Wave缺乏与移动设备的互操作性，没有IPv6支持和适度的带宽可能会限制未来的适应。 Sigma Designs的商业模式是授权Z-Wave，这可能意味着它比竞争技术更昂贵。此外，作为Z-Wave的所有者，Sigma Designs实际上垄断了硅片（还有一家供应商，一家小型日本半导体公司）可能会限制其对某些OEM的吸引力。

，Sigma Designs确实提供各种Z-Wave芯片和模块。例如，ZM5101将Z-Wave SD3502 SoC（内置微控制器和Z-Wave RF收发器），晶体和无源RF元件组合在一个8 x 8 mm封装内（图5）。 ZM5202是一个预先认证的模块，它将类似的电路集成到ZM5101 SoC。

图5：Sigma Designs的Z-Wave系统 - 在封装包括许多用于控制和调光智能照明的I/O.

Linear LLC（不要与芯片制造商凌力尔特公司混淆）是一家美国公司，生产一系列Z-Wave家庭自动化产品。它最近发布了一款Z-Wave可控，可完全调光的LED旋入式灯泡，该公司声称该灯泡可提供超过22年的使用寿命，并可通过兼容的集线器进行远程控制。

未来的互操作性

由于市场上存在许多竞争技术，因此智能家居市场将大受欢迎。目前，硅制造商正在通过支持多种无线协议（通常在同一芯片上）来对冲他们的赌注，而目前的智能灯泡制造商正在几个阵营中占据一席之地（例如，欧司朗另外制造了其LIGHTIFY智能灯泡的ZigBee版本） 。

这使得为智能灯项目选择无线技术变得困难。关键选择标准应包括网状网络功能，智能手机互操作性，合理的范围和带宽，广泛的行业支持和低功耗。没有明确的领导者，因为大多数无线技术并非专门针对家庭自动化应用而开发，因此已经过调整以适应不可避免的妥协。少数几个声称专门针对智能家居的产品是几年前开发的，通常没有考虑消费者如何接受移动技术。 [1]

今天，基于IEEE 802.15.4的技术之一似乎是一个不错的选择（尽管需要网关来确保智能手机的兼容性），但如果Bluetooth Smart的增强版（2016年到期）可以实现其承诺的网状网络，带宽和范围改进，它的智能手机互操作性可能会让它获得优势。

从长远来看，确保所选技术提供（或计划提供）IPv6支持（例如，以6LoWPAN的形式）是值得的。因为这确实保证了不同协议（特别是基于IEEE 802.15.4的技术）与真正的物联网连接之间的一定程度的互操作性。 IPv6似乎是实现“全球家庭自动化标准”的最有可能的途径。