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2018/03/08

點亮智慧連網 照明的未來

文章來源:Silicon Labs
 
重新定義燈泡
愛迪生申請的第一項專利「Improvement in Electric Lights」距今已將近 140 年,其中描述使用碳燈絲當作白熾燈泡導體來控制溫度,使燈泡擁有更長的使用壽命。從當時主要設計考量為避免讓實驗原型起火到如今照明已成為理所當然的生活必需品,期間顯然經歷了許多改變。從愛迪生取得突破至今 140 年以來,最具革命性的進展就是 LED 的問世。現在的 LED,尤其是連結網路的 LED 已具備不同附加功能,例如顏色選擇。相較於傳統的白熾燈泡,LED 每瓦可產生更大流明數的光,可大幅節省能源。此外,LED 的能源效率不受尺寸影響。但由於使用上需要網路連線,所有控制性能讓使用者感受到全新的複雜體驗。

想像一下,下班回家時,還沒走進家門燈就亮了。或者,臥室照明系統漸進調整床頭燈的顏色及亮度,讓您早晨有一小時的時間慢慢醒過來。

現今,LED 照明是價值 300 億美元的全球產業,但始終未能廣為使用。目前彩色連網燈泡每個要價約 50美元,而美國家庭平均設有 40 個燈座。光是燈泡就花費將近2,000美元,勢必無法廣受青睞,大概只剩追求品味的消費者願意率先試用。

不過,燈泡價格已逐漸下滑。2014 年,一般 LED 燈泡每個要價25美元,如今只需 2美元。隨著燈泡價格塵埃落定,使廠商開始有機會好好思考如何開創差異性。

連網照明的優點
正如先前提到的,有三大優點促使消費者採用連網照明:便利、智慧化功能與資料分析。照明是具有影響力的環境因素,能對我們的日常生活產生舉足輕重的影響。例如,辦公室通常選用靜態照明,通常是一成不變。燈不是開著就是關著。打開時,整個空間便滿室明亮。這種環境條件適合看書,但不適合盯著電腦螢幕。假如能根據需求調整環境照明,就能立即將照明調整為適合工作的狀態。智慧照明與所使用的人工智慧和感測器,也讓使用者有機會深入瞭解使用率資料,或者監控室內狀況、溫度或甚至流量分布。最後,智慧 LED 燈還能提供位置與空間使用的相關分析數據。例如,LED 燈可用來判斷大樓各區域最多人使用的時間,或藉以瞭解倉儲空間的使用效率。

多數人會在家中安裝幾個連網燈泡,逐漸導入智慧照明。除了改變發亮的形式之外,智慧照明與本身具備的連網功能也可為居住空間帶來許多好處。無線監控功能可讓使用者隨時隨地控制能源使用量。人工智慧與資料分析帶來的附加價值,也讓消費者可以即時查看能源使用量、透過行動裝置控制智慧產品,以及加入物體與環境感測等先進功能。如此一來,使用者不必採取任何動作,環境就能自動做出反應。想要以更智慧化的方式控制照明,無論是物體、環境光,甚或是溫度感測器都扮演了重要角色。室內無人時關掉電燈只是冰山一角。

場所照明也是新興的便利設施。主要概念是利用光線判斷空間內是否有人,以及他們所處的位置。 有光線就表示有活動,人們通常會聚集在有光線的地方。由於電燈不會移動,且通常平均分布於工業區、商業區,甚至是停車場與市中心等戶外場所,因此是判斷人群位置的絕佳工具。有許多使用案例都整合了照明的場所判斷功能。最簡單的應用方式,是整合電燈的完善狀態與位置,據以預先判斷電燈的維修時間,省時又省錢。此外,使用感測器或 Bluetooth® 信標等技術,可精確判定某個人的位置。

時間與空間的彙整資料可用來判斷倉庫、超級市場或甚至停車場的空間使用效率。零售業者還能加以運用這份資料,根據消費者的位置選擇性地促銷商品。

Driving-Down-the-Cost-Curve

新興市場趨勢
安全性已成為物聯網 (IoT) 裝置的普遍問題,照明當然也不例外。一個系統與其最弱的環節一樣好,該由誰負責把關系統安全? 安全性不應視為開發進入尾聲時才啟用的單一功能,而是整個動態過程。

這些無線系統非常複雜,工程師的工作是讓系統能夠順利運作。因此,他們容易過於專心而忽略了其他方面。強大而全面的方式可減少這類風險,讓團隊可專注於專業領域。

好消息是,現在已有工具可大幅改善智慧照明系統的安全性。

與其說是創新,困難之處不如說是學習如何正確使用技術。舉例來說,關閉 Bluetooth 或 zigbee 晶片的安全性功能可以簡化開發過程,讓偵錯工作更加輕鬆。此外,這也可以減少成本,因此停用安全性有其經濟上的誘因。另一個常見錯誤,是晶片進入量產階段時未關閉偵錯介面。如果使用者連線偵錯工具,晶片便毫無防護。移除安全性或許能帶來短期效益,但長期下來,成本可能遠超過當初的效益。

任職於智慧照明市場的每一個人,從晶片設計者乃至消費性裝置製造商,均須共同負起確保安全性的責任。但目前尚無實際誘因,讓從業人員願意承擔份外的工作。於是,當發生重大攻擊時,後果往往不僅是利益損失,或是對特定品牌造成傷害而已。失去消費者信任可能會造成市場長期萎縮。如同所有技術一樣,使用者體驗非常重要,消費者越因這些引起高度關注的個別失敗案例而沒有安全感,就會有越多人猶豫是否應該採用。長期不安全的裝置可能促使業界制定規範或認證。
 
多重通訊協定連線的設計需求與特色
探討智慧照明系統時,我們認為下列項目是重要的優先條件:
Multiprotocol Connectivity
能輕鬆彈性地運用多重通訊協定相容性已逐漸成為脫穎而出的必要條件,以提供更卓越的使用者體驗與使用案例。這可以是單純針對 zigbee 支援 Bluetooth,或是在執行 zigbee 或 Thread 時同時執行 Bluetooth。

可程式化的多重通訊協定
最基本的多重通訊協定支援必須具備晶片組,可在使用正確軟體堆疊設計程式時,執行不限數量的無線通訊協定。能將晶片程式化並進入量產階段,以支援 Bluetooth Smart、zigbee、Thread 或部分專利通訊協定,代表製造商有能力簡化硬體設計,並快速因應不同的市場需求。透過不同軟體映像檔支援多重通訊協定的晶片平台,是其他所有多重通訊協定使用案例的基本要件。

切換式多重通訊協定
所有多重通訊協定平台的下一發展階段,是能在實際部署裝置後,經由引導裝載新韌體映像檔來變更所支援的無線通訊協定。可預期的是,這需要一些紮實的基礎才能真正實現,但能為具前瞻性的現有產品帶來許多可能,包含使用智慧型手機連線,以簡化及保護讓裝置支援 zigbee、Thread 與其他無線網路的過程。
Switch
動態多重通訊協定
最後,所有多重通訊協定解決方案都必須處理一個問題,也就是使用時間分割機制在通訊協定之間分享無線電時,可能要在一個晶片上執行多個無線通訊協定。這產生更多使用方式,尤其若能將 Bluetooth Smart 與其他無線通訊協定結合更是如此。最簡單的使用方式是在通常執行 zigbee、Thread 或部分其他無線通訊協定的裝置上,定期使用 Bluetooth 信標。

一種實際應用案例是使用 Bluetooth 信標,沿著零售商店照明網路等網狀網路啟用近接感知應用程式。如果零售商店採用以 zigbee 控制的照明系統,啟用 zigbee 功能的照明裝置也能設為定期傳輸 Bluetooth 信標。商店照明是非常理想的應用方式,不只是因為電燈通常平均分布於整個區域,有利於判斷位置,同時也能依位置將資訊傳輸至裝置。ThoseLocations
Bluetooth 信標可用於標示裝置的位置與推送服務。使用接收訊號強度 (RSSI) 來計算定期接收的封包,可讓行動裝置判斷其與特定信標之間的距離,以及移動方向是逐漸靠近或遠離信標。監控多個信標可相當精確地掌握行動裝置在商店中的位置。以零售商店的環境為例,Bluetooth 信標可根據您的所在位置,向您發送相關的折價券及專屬優惠。商店只要提供消費者智慧型手機應用程式,並透過監控商店中所有照明設施所發出的信標,應用程式就能提供確切的位置資訊,如此便能根據附近的產品與服務創造互動式使用者體驗。
Beacon-Interval
同時多重通訊協定
這是一種特殊的動態多重通訊協定。若無線通訊協定共用相同 MAC 與 PHY,就有機會避免在不同 PHY 或調製之間切換無線電。尤其當zigbee 與 Thread 同時使用 IEEE 802.15.4 2.4GHz MAC/PHY 時,有機會可在一部裝置上共用該 PHY 並執行這兩個堆疊,由於這兩個堆疊可隨時使用此無線電頻率,因此能夠同時有效執行。在同一網路的 zigbee 和 Thread 之間路由傳送是個值得探究的問題。

這種使用方式與其他動態使用案例的不同之處,在於無線電通訊協定或參數並未改變,因此離開網路時不會遺失封包。當然,2 個網路/通訊協定共用頻寬時,您仍無法同時接收 zigbee 封包和 Thread 封包,但一般的 CCA 機制可有效避免衝突。

同步多重通訊協定
要實現名符其實的同步運作(尤其是不同通訊協定使用不同無線電頻率時),的確需要兩個無線電。應用程式與網路堆疊可創造極高價值,甚至可在使用完全不同頻率範圍的兩種無線電之間運作。英國的「智能電錶」便是一例。英國政府預計在 2020 年前,於 3,000 萬個場所部署雙頻 PHY zigbee 通訊中樞。目標是推動可同時容納 2.4GHz zigbee 裝置與 sub-GHz zigbee 裝置的「家用區域網路」(運作頻率範圍為 863-876 和 915-921MHz),兩者皆位於相同的邏輯 PAN 上,由通訊中樞負責在使用不同無線電頻率的裝置間路由傳送流量。

應用領域
智慧照明已開始對數個領域產生重大衝擊。我們先前談過消費市場與可用性的重要。除此之外,我們也發現零售與醫藥等商業領域以及市政(例如路燈)等方面,智慧照明的使用率快速攀升。每個應用領域都有個別的設計難處與需求。在即將發佈的三份白皮書中,我們將深入探討各個領域:

智慧家庭
本系列的下一部分,我們將探討消費市場中的幾種自動化與智慧照明解決方案,以及如何將最新低功耗 MCU、無線技術與網狀網路標準(包含zigbee 與 Thread)結合連網家庭應用程式,讓產品在更短時間內上市。此外,我們也會探討使用適合的無線堆疊、認證模組及參考設計所帶來的好處。

智慧辦公大樓
我們將探討智慧辦公大樓與工廠的使用案例,其中具能源效率的連網 LED 照明運用適合的多重無線通訊協定(包含具有 SoC 與認證無線堆疊的zigbee、Thread 及 Bluetooth),可大幅節省能源、促進辦公空間個人化,並將生產流程提升至最佳狀態。

智慧城市
智慧照明有助於保護市區安全、減少能源支出,並鼓勵社群參與。儘管智慧城市的範疇包括智慧辦公大樓,但實際上不僅止於此。智慧城市不僅規模大,還牽涉多家廠商,整體情勢錯綜複雜,勢必得有效管理才行。
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