在本白皮書中，我們將探討快速成熟的智能照明市場，并研究推動消費者朝家庭自動化發展的一些驅動因素。

我們還將探討伴隨無線照明連接性產生的特定設計挑戰，以及開發人員如何利用最新技術滿足不斷增長的需求。

重新構思燈泡

在大約140年前，托馬斯?愛迪生申請了第一項關于“improvement in electric lights”的專利，其中描述了使用碳絲作為白熾燈導體以限制發熱，從而使電燈可以長時間持續照亮。那時，主要的設計問題是如何不讓原型燃燒起來，而今天，照明幾乎被認為是理所當然的事情，這之間顯然發生了巨大變化。

在愛迪生取得重大成就之后的140年間，照明領域最具突破性的進步之一便是led的發明。如今的led，尤其是互聯led，帶有一些附加功能，如顏色選擇。此外，led每單位瓦特所發出的流明數多于傳統白熾燈泡，從而大幅降低能耗。led的能效亦不受尺寸的影響。然而，由于連接性需求，所有這種控制都為用戶帶來了全新的復雜性。

設想一下，下班回家，在您走進家門之前，燈便已打開。抑或在清晨，臥室照明通過逐漸調節的顏色和亮度，在一小時內慢慢將您喚醒。

如今，雖然led照明是一項價值$300億的全球產業，卻仍未跨越鴻溝，成為主流照明。目前，彩色互聯燈泡的成本約為每只$50，而美國家庭平均有40個燈座。花費近$2,000購置燈泡對任何人來說都不利于推廣，可能只有最熱誠的早期嘗鮮者愿意接納。

但價格一直在下跌。2014年，一只標準led燈泡的價格為$25，但現在僅為$2。價格下跌為供應商創造了差異化的機會。

互聯照明的優勢

正如我們早前所提到的，有三大主要優勢正在推動互聯照明的采用：便捷性、智能和數據分析。照明是重要的環境因素，對人們的日常生活有著重要影響。例如，在辦公環境中，照明通常為靜態，因此不會變化。燈要么打開，要么關閉。打開時，房間內充滿熒光。這種光線有利于閱讀，但并不適合盯著電腦屏幕看。如果可以相應地調節環境照明以適合當前工作，那將會十分方便，這一愿望現已成為現實。以及智能和傳感器的使用也讓用戶有機會了解到入住數據等信息，或監控室內狀況、溫度、甚至流量模式。最后，智能led可提供與位置和空間利用相關的分析功能。例如，led可用于確定樓宇內利用率最高的區域或提供有關倉庫空間使用效率的反饋。

在美國，一個家庭平均有40個燈座，而互聯彩色燈泡的成本為每只約$50。

大多數人會選擇在家中安裝少量互聯led，以逐步邁入智能照明時代。除了改變輸出的本質，智能照明以及隨之產生的連接性為住宅帶來了大量好處。無論身在何處，用戶都可利用無線監控和控制能力來控制能源使用。此外，智能和數據分析也帶來附加價值，不僅可以讓消費者實時查看能量消耗情況，還能夠通過移動設備控制智能物件，更增添了占位和環境條件傳感器等先進功能，這樣無需用戶采取任何操作，環境便能夠自發做出響應。在更加智能地控制照明方面，占位、環境光線、甚至溫度傳感器都起到重要作用。在室內無人時關閉燈具真的只是冰山一角。

基于位置的照明也是新出現的便利功能。該理念利用燈光來判斷人的位置或占位情況。存在燈光表示有活動進行，人們通常聚集在有燈光的地方。由于燈具是固定的，在工業、商業、甚至一些戶外場所(如停車場和城市中心)通常均勻地間隔開，因此能夠完美地照射人所在的位置。在燈具內集成定位功能的使用案例十分常見。最簡單的形式是將燈具的健康狀況與位置相結合，人們可以預防性地確定該燈具的維護時間，從而節省時間與資金。利用傳感器或 bluetooth?信標等技術可準確判斷一個人的位置。

使用通過聚合不同時間和空間的數據得到的信息，可確定倉庫、超市甚至停車場的空間利用效率。這類數據的另一個使用案例是，零售商可以根據購物者的位置選擇性地促銷產品。

2014年，標準(非互聯)led燈泡的價格為每只$25，如今已降至約$2。

新興市場趨勢

安全性正逐漸成為設備普遍面臨的問題，照明也不例外。系統的好壞取決于其最薄弱的環節。但由誰來保證系統的安全呢? 安全性不應被視為在開發周期結束時可實現的功能，而是應貫穿于整個過程。

這些無線系統十分復雜，而工程師的工作重點在于設計出有效的產品，因此很容易變得固執，不惜犧牲其他考慮因素去追求有效性。有一種強大的系統化方法可減少這些危險，幫助團隊集中精力投入其專業領域方面。

好消息是，目前已有可大幅提高智能照明系統安全性的工具。

創新已不算是挑戰，真正的挑戰是以正確的方式學習如何使用技術。例如，在bluetooth或芯片上關閉安全性功能可簡化開發并方便調試。這也可能會拉低零件價格，因此在禁用安全性方面，可能存在一些財務誘因。另一個常見錯誤是，在芯片投入生產時未關閉調試接口。如果最終用戶連接調試程序，芯片會變得完全透明。取消安全性可能帶來短期利益，但會產生遠遠超出這些利益的長期代價。

服務于智能照明市場的每個人，從芯片設計者到消費者設備制造商，都需要共同承擔起責任。目前，并沒有真正的激勵因素讓每個人承擔更多的責任作為自己工作的一部分。當發生嚴重的攻擊時，后果不僅僅是收入流失或對單個品牌造成損害。失去消費者的信任可造成市場長期萎縮。與任何技術一樣，用戶體驗至關重要，如果因為這些孤立但廣為人知的失敗而讓消費者缺乏安全感，那么人們在購買時就會變得猶豫。長期不安全的設備可能會引發行業監管或認證。

當發生嚴重的攻擊時，后果不僅僅是收入流失，更糟糕的是失去消費者的信任。

多協議連接性的設計要求和優勢在考慮智能照明系統時，我們認為以下因素是關鍵的高層次需求：多協議的靈活性與易用性正逐漸成為競爭優勢，可提供更好的用戶體驗和增強的使用案例。可以是簡單地對zigbee進行bluetooth調試，也可以是同時運行zigbee或thread和bluetooth。

可編程多協議

最基本的多協議支持必須包括芯片組，當使用合適的軟件協議棧進行編程時，該芯片組可運行任意數量的無線協議。能夠在生產中對芯片進行編程以支持bluetooth smart或zigbee或thread或一些專有協議，這意味著制造商可簡化其硬件設計并快速應對不同市場。對于所有其他多協議使用案例而言，通過不同軟件映像支持多個協議的芯片平臺是基本前提。

切換的多協議

對于任何多協議平臺而言，下一步是在現場部署設備后，能夠通過引導裝載新的固件映像來更改受支持的無線協議。我們將會看到，這需要一些基礎構建模塊，但卻為適應未來需求的現有產品創造了大量機會，包括利用智能手機連接性來簡化和保護部署zigbee thread設備加入無線網絡。

動態多協議

最終，任何多協議解決方案都必須解決利用時間分片機制在協議之間共享射頻，從而在一個芯片上共同運行多個無線協議的可能性。如此開辟出更多使用案例，尤其是當bluetooth smart與其他無線協議結合使用時。在這些使用案例中，最簡單的情況包括在通常運行zigbee、thread或一些其他無線協議的設備上定期使用bluetooth信標。

例如，在零售照明網絡等網狀網絡旁邊使用bluetooth信標以啟用近程感知應用。如果零售商店配備受zigbee控制的照明系統，則已啟用zigbee的照明裝置也可用來定期傳輸bluetooth信標。由于燈具往往在整個區域內均勻間隔開，因此商店內的照明不僅能以理想的方式提供照明，還能夠根據這些位置將信息傳輸到設備。

bluetooth信標用于通知設備的存在和服務。通過使用定期接收到的數據包所收到的信號強度 (rssi) 測量結果，移動設備可以測定其與任何指定信標的距離并判定其在靠近信標還是遠離信標。通過監控多個信標，可以準確了解移動設備在商店內的位置。在零售商店環境的示例中，bluetooth信標可用于提供優惠券以及與購物者所處店內位置相關的定制優惠。商店會為購物者提供智能手機應用，通過監控商店各處的照明裝置發出的信標，該應用可提供位置相關信息并根據附近的產品與服務打造交互式用戶體驗。

并發多協議

從本質上來說，這是一種特殊類型的動態多協議。對于共享相同mac和phy的多個無線協議，有可能避免在不同的phy或調制之間切換射頻。尤其是，如果zigbee和thread都位于ieee 802.15.4 2.4ghz mac/phy，就有機會共享該phy并在一臺設備上同時高效運行這兩個協議棧，因為射頻始終可用于這兩個協議棧。在相同網絡內的zigbee和thread之間進行路由可能帶來非常有意義的前景。

該使用案例和其他動態使用案例之間的區別在于，由于射頻協議或參數沒有變化，用戶離開網絡時沒有數據包丟失，因此盡管有兩個網絡/協議共享帶寬，用戶仍然不能同時接收zigbee數據包和thread數據包，但普通cca機制可用于避免沖突。

同步多協議

真正的同步操作的確需要兩個射頻，尤其是當不同協議使用不同的無線電頻率時。如果應用和網絡協議棧可在兩個甚至可能利用兩個完全不同頻率范圍的無線電之間操作，這將產生極大價值。這方面的一個示例為英國的智能電表，英國政府將在2020年之前為3,000 萬戶房屋部署雙phy zigbee通信集線器，從而實現家域網，其中包括2.4ghz zigbee設備和1 ghz以下的zigbee設備(在863-876，915-921mhz條件下工作)，這些設備保持在相同邏輯pan上并通過通信集線器在不同無線電頻率的設備之間路由流量。

應用領域

在一些地區，智能照明開始展現出強勁的勢頭。我們已經探討了消費市場以及易用性在該市場中的重要性。我們還看到，在零售和醫療保健等商業應用及路燈等市政用途領域，采用率也有所提高。每個應用領域都具備獨特的設計挑戰和要求。在接下來的三份白皮書中，我們將詳細探討每個領域：

智能家庭

在該系列的下一部分，我們將探索消費市場中的一些自動化智能照明解決方案，以及如何為互聯家庭應用提供最新的低功耗mcu、無線技術和網狀網絡標準(包括zigbee和thread)，從而更快地進入這一市場。我們還將討論合適的無線協議棧、認證模塊和參考設計所提供的優勢。

智能辦公樓

此外，我們還將研究智能辦公樓和工廠，在這些環境中，通過利用合適的多個無線協議(包括zigbee、 thread和bluetooth)以及soc和經過認證的無線協議棧實現互聯節能led照明，可節省大量能源，幫助實現個性化工作空間，優化制造。

智能城市

智能照明可幫助打造更加安全的城市，降低能源成本并鼓勵社區參與。雖然智能城市包括智能辦公樓，但其覆蓋范圍遠非如此。智能城市牽涉到的不只是龐大規模帶來的復雜性，還涉及有效和高效管理諸多供應商。

ken berringer silicon labs iot主系統工程師

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