物联网应用的无线连接方案 —— 商用照明领域

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工业 4.0 已不再是未来概念。这个术语描述的是制造业发生的第四次革命,指代由数据与机器学习驱动的智能、自主系统升级 ------ 而照明系统被视为这场革命的重要基础。

过去几年,商用照明行业经历了巨大变革:商用照明方案已进化为更先进、更复杂的系统。企业采用更高级照明控制的两大核心动因是:

  1. 大幅降低能源成本
  2. 显著提升人员使用体验

这些系统的进化方向包括:

  • 从有线转向无线:取代传统有线配置,此举的核心动力是大幅降低安装与运维成本(尤其是改造项目)。
  • 自动化功能:将传统人工操作的功能自动化,主要动因是降低成本。
  • 连接云端:将智能决策功能接入云端。
  • 智能灯具升级:智能灯具(指完整的电子照明单元)已突破 "开关 / 调光" 的基础功能,如今可提供性能监测、诊断指标与能耗数据。
  • 集成多类传感器:灯具已演变为建筑的 "神经系统",能辅助暖通空调(HVAC)等其他建筑系统更高效运行,常见传感器包括 occupancy 传感器(人员存在传感器)、光传感器、温湿度传感器等。

什么是商用照明?为何要部署它?

商用照明系统是指应用于办公室、商铺、机构、医院、工业空间与工厂的照明系统。与家用照明相比,这类系统通常初始成本更高、使用寿命更长、耐用性更好,但运维与服务成本也更高。

部署商用照明系统的主要原因包括:最大化节能效果、符合建筑规范、保障人员使用舒适度。它通常包含以下组件:

  • 传感器:人员存在传感器、光传感器,以及温度、湿度、二氧化碳等多参数环境传感器。

  • 灯具:指照明单元本身,直接关联照明单元的配电、定位与保护,同时支持开关、调光等功能。

  • 继电器 :有时用于转发开关的控制指令,或实现更高级的智能功能(执行逻辑决策后再转发指令)。

部署商用照明系统的优势包括:

  • 通过人员存在、光、温湿度、空气质量等各类传感器,提升环境感知能力,同时降低能耗
  • 大幅减少安装、部署、调试与运维环节的成本与工作量
  • 自动化功能带来更强的管控能力,同时获取更精细的高价值数据,用于高级分析
  • 实现空间利用与优化
  • 为设施内的导航、资产追踪等其他应用提供基础架构

尽管对多数设施所有者与管理者而言,升级为互联、智能的商用照明系统看似是明确的选择,但该领域仍面临一系列挑战:

  • 行业缺乏标准化
  • 认知度不足
  • 部分系统可靠性较差
  • 安全与隐私隐患

商用照明系统转向无线连接,在收益与投资回报(ROI)方面潜力巨大,但需适配现有系统的改造项目才能兑现这些潜力。近期,蓝牙技术联盟(SIG)与数字可寻址照明接口联盟(DALI Alliance,DiA)等无线标准组织展开合作,致力于将顶尖的物联网灯具标准(DALI/D4i)与顶尖的无线照明控制标准相结合。DALI 联盟(DiA)定义了 DALI 开放数字标准,以替代有线照明系统的专有协议 ------ 后者在商用照明行业(尤其是欧洲地区)已日益普及。

互联商用照明所用无线技术的关键属性

商用互联照明应用中,选择无线技术时需考虑以下关键属性:

  • 可扩展性与性能
  • 可靠性
  • 隐私与安全
  • 成本

在具体应用中,这些属性的优先级高度依赖于设施类型与商用照明系统的预期功能。以下结合互联商用照明场景,对各属性进行说明:

可扩展性与性能

无线网络的可扩展性,指其在节点数量增加(以适应未来增长)时,对网络性能的影响较小的能力。性能与可扩展性密切相关 ------ 若网络在扩展的同时性能大幅下降,则扩展毫无意义。

无线网络的性能,是对网络服务质量的衡量。在商用照明场景中,最重要的性能指标包括延迟、吞吐量与信号错误率。

可靠性

可靠性指在所需时间内将信息从 A 点传输到 B 点的能力。商用照明应用中无线网络的可靠性至关重要:若传感器数据通过不可靠的网络传输,可能弊大于利,这一点在对时间敏感的应用中尤为突出。

无线网络通过多种技术提升可靠性,部分技术属于协议层面,部分则体现在设计与实现环节。常见技术包括:

  • 数据重传(出现错误时,通过追踪数据包的收发顺序实现)
  • 错误检测与纠正(例如数据冗余、前向纠错技术等)
  • 提升发射器的发射功率
  • 提升接收器的灵敏度
  • 接收器配备多天线
  • 跳频(避开噪声信道)

并非所有无线网络技术都具备同等能力,部分技术更侧重可靠性与鲁棒性。因此,选择无线网络技术时需谨慎考虑这一参数,明确其采用何种机制来实现系统所需的可靠性水平。

隐私与安全

对任何无线互联系统而言,隐私与安全都是核心关注点。随着商用照明应用中数据采集量急剧增加,保护用户隐私的重要性愈发凸显。

从安全角度看,无线系统比有线系统更容易受到攻击。选择无线技术时需考虑这一点,确保系统能抵御网络犯罪攻击。不同无线技术在安全与隐私保护方面的能力存在差异,因此需评估所选技术能否为目标应用提供适配的防护水平。

成本

商用照明系统涉及两类成本:

  • 初始一次性成本(硬件、部署、安装、调试、软件)
  • 持续性成本(运维、状态监测、软件)

选择商用照明系统的无线技术时,需同时考虑这两类成本。

最适用于商用照明的无线技术对比

基于上述属性(可扩展性与性能、可靠性、互操作性、隐私与安全、成本),以下是最适用于商用照明应用的无线技术:

  • 蓝牙 Mesh 网络
  • Zigbee
  • Thread

接下来,我们将结合上述关键属性,对比这些常见技术。

需要注意的是,部分技术更适配家用场景的安装,未必适用于商用部署。

蓝牙 Mesh 网络从设计之初就瞄准了商用照明领域的需求。使其区别于其他技术的核心基础特性包括:

  • 创新性的分布式控制架构
  • 创新性的发布 / 订阅消息寻址方式
  • 创新性的受控泛洪消息中继

这些特性让蓝牙 Mesh 网络能够以比其他技术更可靠、更稳健的方式,应对常见的大规模工业部署场景。

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