低功耗物联网设计有许多技术路线。物联网现有成百上千亿的连接数,其中包含两大技术路线/应用场景:一种是高速率、高功耗的场景,即4G/5G通信技术;一种是低功耗的场景,估计会占到60%的连接数。

照明是我们生活中非常重要的一类基础设施。随着LED灯出现,白炽灯、荧光灯将会慢慢淘汰。而由于智能家居、智慧城市等概念,互联照明发展将会大幅加快。

互联照明是一个典型的物联网应用,它包括感知(各种传感器,比如家里有红外、位置、门磁、超声波等传感器,灯具以及电源)、网络(网关,包括接入层和传送层)和应用三个层面。

互联照明有5大技术需要解决

互联照明有5大相关技术需要解决。一是,LED相比白炽灯,它的结构非常复杂,这涉及电源可靠性、发热问题,以及调光调色时是否一致。二是,传感器技术(气体传感器、照度传感器等)。三是,通信技术,分为两个层次——一个层次是怎么在家里、楼宇或城市中实现本地连接;另一个层次是收到网关信号后怎么实现远端连接。四是,IT技术,即怎么样实现后台处理,即云计算、大数据分析等。五是,控制技术——从旋钮到手机控制,人们并不满足,因此出现了语音控制和人工智能控制技术,而让人们感觉不到控制的存在,日前,在“2016互联网+物联网创新技术与应用高峰论坛”上,飞利浦照明上海分公司黄峰博士在“迈向物联网化的智慧照明”主题演讲中指出。

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图:基于IoT的智能家居照明架构

智能家居互联照明现在处于照明控制向照明自动控制转变的阶段。最后的阶段才是智慧照明,这涉及更高级的人工智能控制,预计到2020年将会出现,目标是实现按需的照明,健康的照明,以人为本的照明。

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智能家居领域的玩家如下图所示,包括家电、控制、IC、初创公司及照明产业五大领域。其中,智能照明是非常重要的一个设施。

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智能家居协议虽多,但核心无非是要满足低功耗和网状组网需求

家居产品实现互联是一个非常复杂的问题。虽然光纤是一个很好的接入方案,但是要在家庭中布线会很麻烦。因此,我们首选的还是无线连接。无线协议包括ZigBee、蓝牙、WiFi、enocean、Z-Wave、ALLSEEN、THREAD等不下十几种协议,非常麻烦。但如果我们仔细分析,智能家居中有两个很重要的需求,即低功耗和网状组网需求。

目前来看,ZigBee和THREAD是满足这两个要求的两个协议。同时,蓝牙也在做自己的Smart Mesh网状组网,WiFi也在做相应的组网,这都是为了满足这两个需求。

智能楼宇互联照明和智能家居中的场景非常类似,只是灯具不太一样。这里面有两个比较新的技术,一个是PoE(以太网供电)技术,这个技术现在在电梯里用得比较多。以前电梯里的双绞线电话慢慢没有了,现在的电话是连网线、接到交换机上的产品。交换机不仅提供通信信号还提供供电。那么照明是否可以借鉴呢?现在有很多公司正在做这方面的尝试。这里面的一个问题是,电话机功率需求较小(十几瓦即可),而照明则要达到二三十瓦甚至五六十瓦。PoE技术也在不断演进,现在市面上最高可达30W,即现在办公室里30W的灯具基本可以靠PoE解决供电问题。

可见光通信,如何从小众走向大众?

另外,可见光通信也是一个很好的方向。可见光通信分为三个领域。一,高速,如Li-Fi,它的口号是要替代Wi-Fi(值得探讨)。二,OCC(光学相机通信),即照明灯具与手机摄像头的通信。这是一个很热、同时也落地了的项目,这个项目主要用来做室内定位。三,照明和传感器应用,比如汽车灯和物联网监测等应用。

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“就现阶段来说,高速需要解决回传问题。因为灯具是一种单向广播式的传输,所以通信节点如何把信号回传是一个需要解决的大问题。像矿道、核电站、飞机舱、潜艇等小众照明,可以采用可见光通信,但是若走向大众照明,则需解决上行问题。第二个问题是回传,因为现有的灯具不具备回传功能,除了采用PoE交换机外,也有人采用PLC(电力线载波)对灯具进行改造来解决回传问题。还有个很大的问题是接收机的灵敏度不够。有些厂商已经展示了可见光通信系统,但是在手机上接收时,需要加一个透镜来聚光。光纤通信光线范围通常为1.3μm~1.5μm,而可见光接收范围在400nm~800nm。这种情况下,蓝光接收机的灵敏度是不够的,因此需要研究新型接收机。因此,可见光通信若要走向大众,需要解决这三方面的问题。”黄博士表示。

另外是可见光的定位。以工频50Hz闪烁的灯光肉眼看不见,在LED上调制kHz级的更高频率,肉眼更看不见,但是手机/相机却是能够感觉到的,就像文中图片中明暗相间的条纹,根据条纹的密度和深浅便可解出里面的ID/位置。在得到位置后便可以做很多事情,比如2014年德国的一家超市,用户拿手机进入后,超市便可根据用户位置做出产品推荐。

然后是智慧城市中一个很重要的基础设施——路灯。路灯的控制包括柜控、本地RF(433MHz、2.4GHz)、电力线载波和SIM卡等。其中,SIM卡控制有四个问题:功耗高(不适合电池供电)、业务量小、覆盖范围小及成本高。低功耗广域网NB-IoT的推出就解决了这些问题。它承诺电池寿命可达十年,提供超大连接(一个扇区可接5万个节点,一个基站6个扇区,有上十万个节点,方圆十公里都可连接),覆盖范围广(增大20dB,比如煤气表等放在角落里的设备都能够覆盖),成本可做低(现在5美金,大量上市时能达1美金)。

NB-IoT有两类应用。一是公共设施,比如抄表、停车、智能路灯——终端数量大,面向的是集团用户。设备与设备之间不需要通信,仅与后台系统进行通信,比如抄表或灯,表与表、灯与灯之间不需要通信,这对时延是不敏感的。二是像物品跟踪这样的个人客户,比如儿童手表跟踪小孩位置,名贵物品防丢等。

LPWAN:为克服Sigfox和LoRa的应用短板,他们开发了这个新协议

除了智能家居/智能照明的应用场景外,物联网还涉及许多范围更远的低功耗广域网(LPWAN)应用。NB-IoT解决了物联网低功耗、长距离通信的需求,而如果在窄带的基础上把带宽调得更窄,则功耗会变得更低,传输距离会变得更远,这就是超窄带(UNB)技术。法国Sigfox公司采用的就是这种方式。另外一种LPWAN技术就是LoRa扩频技术。

物联网到现在为什么没有好的应用,没有好的盈利公司,是因为没有好的管道技术把这些方案连接起来。互联网(人人通信)的技术是给人用的,给物来用并不合适——成本、需求满足不了。

厦门纵行信息科技有限公司市场总监颜小杰在同个论坛上介绍了一种类似Sigfox超窄带调制方式的名为ZETA的低功耗通信技术。相比智能照明领域用的ZigBee等技术,它在终端成本做到足够低的同时,能够做到室内/室外覆盖范围足够广,工作寿命足够长(当然这是以牺牲速率为代价)。ZigBee对于智能家居来说覆盖范围还是足够的,但是要做广覆盖就不够了。蓝牙也是有距离上的限制。2/3/4G则是功耗太高,类似手机要经常充电。

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“目前不管是NB-IoT还是Sigfox,它们都没有做低功耗的下行控制。比如抄表是发送数据后就休眠了,所以能做到低功耗。它的触发方式是按一定的周期或是事件触发,发送完后即进入休眠。要想在任何一个时刻查询家里用了多少数据就不可能,因为此时在休眠状态,不会接受指令。”颜总表示,“我们发现有大量这样的应用场景是需要实时下行查询功能,因此我们做了一个低功耗侦听的下行,使设备在低功耗模式下在休眠的同时能侦听下行指令并进行响应。”

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然后是多跳自组网接入。“我们在基站下再做了一个Mesh层,这个Mesh不是传统的网状Mesh而是树状Mesh,这样在低开销的同时又可以做多跳(最多4跳)。”颜总透露。

“有很多人对LoRa迷信,认为扩频之后无所不能。那为什么华为不去用扩频呢?扩频是超窄带的一种编码方式。不管是哪种编码方式,在传输距离上是一样的。”颜总指出。

行业用户不太清楚频谱是否可用,其发射功率能达多大,国家是否有所限制。未来除了NB-IoT,其他技术都会面临这样的问题。某个频段发射功率调多大,现在还没有监管,但是到未来,比如像LoRa 433/470MHz频段,最多是到17dBm,但是现在很多人把LoRa调到20dBm。虽然现在没人管,但是等市场选择完毕后会出台相应管理,因为大家把功耗都调这么高,影响会很大。比如在同一个小区若水表和气表都挂470MHz的LoRa模块,它们之间就会形成干扰。“扩频本身就是干扰别人。要是小区又挂了一个带LoRa的电表又该怎么办?扩频比窄带/超窄带更宽,信道带宽越宽对其他设备形成干扰的概率就越高。”颜总指出。

另外,随着扩频,信道也会引入更多噪声,虽然扩频会提高灵敏度增益。而采用窄带/超窄带,就可以很容易从一个频点跳到另一个频点,这样就不会对别人形成干扰。如果是用LoRa,它的信道带宽是125kHz,我们很难找到这样一个没有别人在用没有干扰的信道带宽,因此它的冲突概率相比其他技术要高很多。

从下图的超窄带(UNB,比如Sigfox)与LoRa对比来看,LoRa丢包率直线上升,Sigfox冲突概率明显好于LoRa。

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下图是纵行研发的ZETA技术。颜总表示,物联网通信和人不一样,人如果信号不好可以走几步到信号好的地方去,而物联网设备固定,因此信号死角覆盖是个问题。“LoRa加个基站可以解决问题,但是基站很贵而且要供电,为此我们在中间做了一个Mesh层——Mesh Access中继,给星形网络加入一个很小的Mesh Mote,可以采用电池供电,随便找个地方来放就好,和基站覆盖距离一样,具体取决于天线。如果一个Mote到不了,还可以加入多个Mote多跳。”颜总介绍说。

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