LEDinside:智慧照明通信技术的现状和未来发展趋势

LEDinside讯】互联互通是智慧照明、智慧家庭和智慧城市追求的目标, 不仅要实现人与设备之间的互联,也要实现照明设备与照明设备之间,照明设备与其他设备之间的互联,而通信技术,正是未来万物互联的桥梁。

面对种类繁多的通信技术,从传统照明进入智慧照明的企业该如何选择?

无线通信技术取代有线通信技术成为应用主流

目前智慧照明领域主流的通信技术包括KNX、DALI、C-bus、电力载波等有线通信技术,Wifi、ZigBee、Bluetooth、Z-wave、Thread等无线通信技术。

有线通信技术比无线通信技术更可靠和安全,但是布线繁琐、施工困难,一小部分模块损坏可能影响系统的整体运转,扩展移动性也比较差。

无线通信技术具有全自动组网、连接方便、随身控制,操作方便,拓展性强等诸多优点,但是目前无线通信技术成熟度还较低,存在稳定性差、抗干扰能力弱,组网复杂,技术难度大等缺点。

在应用面积和楼层跨度大的大型商业建筑照明、公共建筑照明、景观照明以及装饰照明中,稳定性好、安全性好、抗干扰性强的KNX、DALI、C-bus等有线通信技术依然是首选,而在家居照明中,WiFi、ZigBee、Bluetooth、Z-wave、Thread等无线通信技术早已成为主角。

智慧照明现在还处于幼稚期,正迈向成长期.未来进入智慧照明行业以及智慧城市产业的企业会越来越多,企业在无线通信技术研发上投入的资金和人力规模也会越来越大,将会推动各类无线通信技术的进一步发展,无线通信技术也会大面积取代有线通信技术。

多种无线通信技术和标准长期并存

在智慧照明发展的初级阶段,市场上出现了Zigbee、Bluetooth、Wifi、Z-wave、Insteon、EnOcean等诸多无线技术。

LEDinside认为,未来,因为智慧照明节能率比普通照明更高、成本不断降低、在消费者中的认知度也不断提升,其产品市场规模将逐年增长。 ZigBee、Bluetooth、Wifi、Z-wave等目前主流的无线通信技术因为前期的积累,将迅速发展。其中,ZigBee於2019年将占有61%的市场占有率。

ZigBee 拥有强大的组网能力,到现在为止已经推广十多年,又有诸如飞利浦、欧司朗、GE、Cree等国际大厂的支持和推动,具有先发优势,所以ZigBee不但拥有最大的市场份额,而且会稳步提升。

这两年来,蓝牙的性能在不断升级,无需网关,又拥有低功耗、网状网络特征的蓝牙将成为ZigBee最强劲的对手,使用蓝牙的智慧照明产品数量也在不断增多,明年或迎来爆发性增长,有望成为仅次于ZigBee的第二大无线通信技术。

WiFi 在智慧照明发展初期,因为普及率较高,又具有无需网关的优点,市占率会有小幅增长,但其功耗高、节点少,较适用单品和少数灯具,并不适用於大范围的智慧照明产品,后期增长乏力。

Z-wave 在智慧照明上的应用主要集中在家居照明,应用范围比ZigBee和蓝牙都要窄,所以增速相对来说也较慢。



 主流无限通信技术的性能参数【资料来源:厂商技术,LEDinside 整理 (2015/11)】

上述的几种技术都是目前主流的无线通信技术,每种技术都各有众多拥趸者,关于哪种无线通信技术会在未来占主导地位的争论由来已久,但其实每种无线通信技术都有不同的标准和协定,各有其优缺点。

由于终端应用领域非常的多样化,对无线通信技术的要求各不相同,所以未来每种技术都会凭借自己的优势在不同的应用领域占有一席之地。

主流无线通信技术的网络拓扑形式分析

各种通信技术采用了不同的网络拓扑形式,而网络拓扑结构对于网络管理、节点间的数据传输、网络安全起着决定性的作用。

   ►  Wifi的星型拓扑形式

星型拓扑是最为普遍的一种组网形式,缺点是终端节点少,而且节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。

   ►  Z-wave的树形拓扑形式

树形拓扑形式的的每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通信。如果需要从一个节点向另一个节点发送数据,那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。

   ►  BLE Mesh和ZigBee的网状拓扑

网状网络拓扑的路由节点之间可以直接通信,这种路由机制使得信息的通信变得更有效率,而且一旦一个路由路径出现了问题,信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输,具有更加灵活的信息路由规则。

主流无线连接技术的特征

   ►  Wifi

Wi-Fi是依照IEEE 802.11.x标准制定的无线通信技术,一种可以将个人电脑、移动设备等终端以无线方式互相连接的技术,是一个高频无线电信号。

Wi-Fi是大众最熟悉的无线通信技术,已相当成熟。它具有传输速度高,距离远,无需网关、开发难度小,进入门槛低,产品成本较低的优点,但是Wi-Fi信号穿透性差,终端可连接的设备也只有32个,而且比其他的无线通信技术更耗电,安全性也非常差。

虽然WiFi有它的优势,但局限性也很大,所以并不是最适合智慧照明的无线通信技术,更适合智慧手机、平板、PC、 智慧电视、家庭影音等互联网内容的分享与发布 。

   ►  Bluetooth4.2

蓝牙也是大众颇为熟悉的一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电 波)。

蓝牙具有高抗干扰能力、高安全性、易配对等特色,但早期的蓝牙版本存在传输距离短、节点数目少、功耗高等问题。

蓝牙4.0版已具有低功耗(Low Energy;LE)的特性,并分成Bluetooth Smart Ready、Bluetooth Smart与标准蓝牙等三种规格。4.0版的传输速度还分成正常规格的3Mbps及高速规格的24Mbps,传输距离延长到60米,并改善因高速传输而导致的高功耗问题。

此外Bluetooth Smart所开发的网状(Mesh)技术,一举让蓝牙的节点(设备)数目提升到65,000个。

2014年底, 蓝牙技术联盟(SIG)正式宣布,开始向中国推行蓝牙4.2标准。4.2版本在针对连接速度、安全、联网三个方面做出了更重要改进。

1、实现物联网:支持灵活的互联网连接选项IPv6/6LoWPAN或Bluetooth Smart网关

2、让Bluetooth Smart更智慧:业界领先的隐私权限、节能效益和和堪称业界标准的安全性能

3、让 Bluetooth Smart 更快速:吞吐量速度提升2.5倍,封包容量提升10倍。

其中,蓝牙预计2015年下半年,采用蓝牙4.2标准的终端产品将陆续推出。

Mesh网络 和IP化的新特征打开了蓝牙的应用前景。蓝牙的应用也将从单品的智慧控制走向整体智慧家居照明、商业照明的控制,最终会将智慧照明接入物联网。

   ►  ZigBee

ZigBee是目前风头最劲、最受关注的无线通信技术,具有高保密性、强稳定性、低功耗、自组网、低成本的优势,适用于商业、工业、家居、道路照明等众多领域。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。它的功耗为WiFi的10万份之一,ZigBee Pro的Green Power节能效果更加强大,功耗仅为ZigBee的百分之一,因此ZigBee在照明和能源管理方面具有较大的优势。

ZigBee也拥有很强的扩展性, 拥有网状网络,终端节点多达65600个,适合需要布局大量传感器的应用领域。

因为ZigBee最初的定位是应用于IOT,所以在不同的行业有不同的协议,到目前已经有ZigBee Home Automation、ZigBee Light Link、ZigBee Smart Energy等8个协议,应用层协议众多 ,不够灵活,难以一致,导致各厂商的终端产品不能互联互通。

ZigBee 3.0规范预计2015年会完成,并会将诸如ZigBee Light Link,ZigBee Home Automation,ZigBee Health Care以及其他常用的ZigBee协议统一为ZigBee 3.0的单一标准,ZigBee 3.0标准让用于家庭自动化、连接照明和节能等领域的设备具备通信和互操作性,这将简化产品开发以及厂商间的互用性。

   ►  Z-wave

Z-Wave也是一种技术成熟的无线通信技术,以智慧家居应用为目标,在住宅、照明商业控制以及状态读取上被广泛采用,是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。

Z-Wave工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲),采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,数据传输速率为9.6 kbps,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄带宽应用场合。

Zigbee和Z-Wave都采用网状网络,但Z-Wave相对来说更封闭、门槛较高,所以采用Z-wave技术的设计、生产厂商相对ZigBee的来说就少得多,但Z-Wave的杀手锏在于其兼容性很好,所有的z-wave产品都可实现互联互通。

因为Z-Wave所用的频段在中国是非民用的,所以Z-Wave的智慧家居更多的还是用在海外。

IP化是智慧照明无线通信技术未来发展的趋势

在互联网中,IP地址用来给电脑编号,每台联网的PC上都需要有IP地址,才能正常通信。

在物联网中,所有终端节点也需要分配一个IP地址,才能实现互联互通,物联网的发展需要海量IP地址。现在主要使用的IPv4采用32位地址,支持40亿个IP地址,目前全 球的IPv4地址已经使用殆尽,而IPv6采用128位地址,可用的单一地址数量为3.4乘以10的38次方,IPv6能够“让每一粒沙子都拥有IP地址,使用IPv6地址可以很好的解决IP地址不足的问题。

智慧照明是物联网中的一小部分,也会遵守物联网的发展趋势,其中智慧照明中采用的无线通信技术也会往IP化网络架构发展。

目前,ZigBee、Z-Wave和蓝牙虽具有低功耗和网状网络的优点,但其终端连接的照明灯具和感测节点却依然难以管理。

未来,采用IPv6协议的无线通信技术可以将智慧照明灯具直接接入网络,拥有独立IP地址的灯具不再需要智慧移动终端作为中介,相互之间可自行传输数据,不通过网络就能实现设备与设备之间的“对话”。

蓝牙4.2标准已经率先推出了这个新特性,正如前文所述,蓝牙4.2瞄准物联网,支持灵活的互联网连接选项IPv6/6LoWPAN或Bluetooth Smart网关,ZigBee3.0新标准中也将纳入ZigBee IP。

预计未来主流的无线通信技术都会将IP化网络架构纳入标准,智慧照明将实现真正的互联互通,并最终融入包罗万象的物联网。(文/LEDinside分析师 Wendy)



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