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(qiáng)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(gè)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(jì)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(biāo)，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(dāng)代系統(tǒng)與昔日的笨重產(chǎn)品不同，它融合了兩項(xiàng)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(gè)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(fèi)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(jī))無論是在家里還是遠(yuǎn)程(圖1)。

圖1：智能手機(jī)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(jì)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(gè)SSL設(shè)計(jì)中。但是，這種方法可能會導(dǎo)致錯(cuò)失良機(jī)。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?yàn)榘雽?dǎo)體供應(yīng)商現(xiàn)在提供參考設(shè)計(jì)，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(jì)服務(wù)，以幫助客戶入門。盡管如此，這個(gè)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(lán)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(lán)牙智能與IEEE 802.15.4

藍(lán)牙智能是藍(lán)牙無線的低能耗版本(許多工程師仍稱該技術(shù)為“藍(lán)牙低能耗”)作為部分引入2010年的藍(lán)牙核心規(guī)范v4.0。它專為低功耗(電池)操作而設(shè)計(jì)，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(xué)，醫(yī)療[ISM])頻譜分配中運(yùn)行，主要是因?yàn)樵擃l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(lán)牙智能技術(shù)細(xì)節(jié)與“經(jīng)典”藍(lán)牙不同(例如，與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)不同，藍(lán)牙智能通常可以處于“未連接”狀態(tài)(省電)鏈接的兩端相互了解，但只在必要時(shí)連接，然后盡可能短的時(shí)間連接。一旦連接，藍(lán)牙智能切換到其37個(gè)數(shù)據(jù)通道之一(相比經(jīng)典藍(lán)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(jī)模式在信道之間翻轉(zhuǎn)。跳頻技術(shù)是一種流行的機(jī)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(lán)牙的衍生產(chǎn)品，藍(lán)牙智能背叛了其消費(fèi)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(diǎn)。主要優(yōu)勢是消費(fèi)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(jī)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(diǎn)是藍(lán)牙無線被設(shè)計(jì)為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)技術(shù)，中央主控制器以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制多個(gè)從屬設(shè)備。當(dāng)使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)，智能照明效果最佳，這樣除了控制器之外，各個(gè)節(jié)點(diǎn)(燈)可以相互通信以擴(kuò)展范圍并啟用其他功能，例如同步燈組的操作。

一些藍(lán)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的支持。藍(lán)牙特別興趣小組(SIG)是藍(lán)牙技術(shù)的保管人，已宣布將在2016年某個(gè)時(shí)候的標(biāo)準(zhǔn)下一次更新中包含網(wǎng)狀支持(以及范圍和帶寬增強(qiáng))。

藍(lán)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(jì)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(jī)或Wi-Fi路由器等網(wǎng)關(guān)的資源。這種連接的優(yōu)點(diǎn)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(fèi)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(lán)牙智能半導(dǎo)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(jì)基于藍(lán)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(rèn)證，但比基于分立元件的設(shè)計(jì)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(lán)牙智能模塊將經(jīng)過預(yù)認(rèn)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(lán)牙智能的公司的一個(gè)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(lán)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(gè)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(bǔ)，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(jì)。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(dá)250個(gè)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(gè)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(yàn)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(gè)6LoWPAN層。 IEEE 802.15.4 MAC和PHY。[!--empirenews.page--]

Thread的主要優(yōu)勢在于其支持來自ARM，飛思卡爾半導(dǎo)體，Nest Labs，歐司朗，高通，三星電子和Silicon Labs等大型組織。集團(tuán)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(dǎo)致一些OEM回避Thread。)該技術(shù)的缺點(diǎn)是帶寬相對有限 - 這可能會限制系統(tǒng)的功能 - 智能手機(jī)互操作性以及迄今為止非常有限的商業(yè)半導(dǎo)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(jì)算設(shè)備，電視和機(jī)頂盒上。

Wi-Fi基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)并且(主要)在2.4和5 GHz頻譜分配中運(yùn)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(yuǎn)70米的范圍。該技術(shù)基于IP，圍繞中心集線器(無線接入點(diǎn))設(shè)計(jì)，與“星形”拓?fù)渲械耐鈬O(shè)備通信(形成局域網(wǎng)[LAN])。 Wi-Fi Direct允許點(diǎn)對點(diǎn)連接 - 這將允許智能手機(jī)和平板電腦等移動設(shè)備在需要時(shí)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(jī)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(fèi)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(shí)為未來發(fā)展提供了空間(例如，快速無線固件升級以增強(qiáng)智能照明的功能)。

一個(gè)不錯(cuò)的模塊示例是Atmel的SmartConnect設(shè)備(其中一些還包括藍(lán)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(rèn)證，可供設(shè)計(jì)人員使用，以增加無線連接功能。需要IP堆?；騌F經(jīng)驗(yàn)。

智能照明無線連接的Wi-Fi缺點(diǎn)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(fù)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(rèn)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(qiáng)大的功率會產(chǎn)生更多的熱量)但它確實(shí)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(gè)設(shè)備)，30米范圍和高達(dá)100 kbps的(原始數(shù)據(jù))帶寬。沒有對IPv6的支持。

Z-Wave確實(shí)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(yàn)證的互操作性。有325家公司聯(lián)盟支持該標(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)證的設(shè)備，并且銷售了3500萬個(gè)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(diǎn)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(shí)際上壟斷了硅片(還有一家供應(yīng)商，一家小型日本半導(dǎo)體公司)可能會限制其對某些OEM的吸引力。

，Sigma Designs確實(shí)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(gè)8 x 8 mm封裝內(nèi)(圖5)。 ZM5202是一個(gè)預(yù)先認(rèn)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(jìn)行遠(yuǎn)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(gè)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(xiàng)目選擇無線技術(shù)變得困難。關(guān)鍵選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能，智能手機(jī)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(dǎo)者，因?yàn)榇蠖鄶?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(gè)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(fèi)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(gè)不錯(cuò)的選擇(盡管需要網(wǎng)關(guān)來確保智能手機(jī)的兼容性)，但如果Bluetooth Smart的增強(qiáng)版(2016年到期)可以實(shí)現(xiàn)其承諾的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，帶寬和范圍改進(jìn)，它的智能手機(jī)互操作性可能會讓它獲得優(yōu)勢。

從長遠(yuǎn)來看，確保所選技術(shù)提供(或計(jì)劃提供)IPv6支持(例如，以6LoWPAN的形式)是值得的。因?yàn)檫@確實(shí)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(shí)現(xiàn)“全球家庭自動化標(biāo)準(zhǔn)”的最有可能的途徑。