ZhagaBook18如何幫助路燈接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

【導(dǎo)讀】：日前，Zhaga聯(lián)盟最近的技術(shù)白皮書翻譯出爐，書中Zhaga Book 18 是主角，Zhaga Book 18的誕生將解決路燈接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)遇到的問題。

Zhaga聯(lián)盟和ZigBee、藍(lán)牙這些聯(lián)盟有什么不一樣呢？Zhaga Book 18技術(shù)是如何幫助路燈接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的呢？下面這篇文章將帶來詳細(xì)解讀。

1. 從一個簡單的例子說起

在講ZhagaBook 18之前，我們先討論一個簡單的例子。這個例子的思路簡單、有效，和Zhaga的思路一脈相承。

假設(shè)你是一個電子工程師，需要為一個系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)一個主控板。控制的功能需求是清晰明確的，你做出的板子將交給軟件工程師開發(fā)軟件。這是每個公司每天都在發(fā)生的事。

首先，你想到的是功能需求分析和電路實(shí)現(xiàn)。前面說了，這個系統(tǒng)定義清晰明確，你可以很快拿出一個方案來。問題是，軟件會有什么需求？選擇什么樣的處理器更合適？考慮到可能的需求變化，在處理器的選擇上你有太多選項(xiàng)：

1） 成本優(yōu)先，盡可能簡單。你可以選擇單片機(jī)（MCU）。下一步，什么型號？

2） 性能優(yōu)先，為將來軟件升級提供余量。你可以選擇嵌入式處理器（SoC）。下一步，選哪個公司？什么型號？

3） 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，提供最大程度的可編程性。你可以選擇FPGA。同樣地，Xilinx，Altera， Actel，選哪家？什么型號？

這個問題可以表示成圖1：

圖1.電子工程師遇到的問題

如何解決？一個簡單而有效地思路是：將不確定的部分從確定的部分中抽離出去，使得固定的部分可以快速地實(shí)現(xiàn)而靈活的部分可以簡便地接入主控板。在這個例子中，我們只要將處理器的外部接口定義清楚（因?yàn)橄到y(tǒng)的功能清楚，所以這個不難做到），即可通過幾個標(biāo)準(zhǔn)的排針將CPU部分拆解出來。如圖2所示。

圖2.將CPU模塊通過定義好的接口獨(dú)立出去

這種分割，使得即使未來的軟件設(shè)計(jì)天翻地覆，只要系統(tǒng)的硬件功能不變，都可以通過設(shè)計(jì)新的小CPU板而實(shí)現(xiàn)升級換代。

2. Zhaga Book 18要解決的問題

每一種技術(shù)的誕生，都是為了解決存在的問題。ZhagaBook18要解決戶外照明燈具（為了簡便，后面都稱為“路燈”）連入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)遇到的問題。

一個路燈接入物聯(lián)網(wǎng)會遇到什么問題？我們看下圖3。

圖3.路燈接入云端的技術(shù)選擇

如圖所示，一個路燈要作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入云端，第一個要解決的問題是選擇合適的無線通信技術(shù)。對路燈的制造企業(yè)來說，路燈本身的設(shè)計(jì)是輕車熟路信手拈來，從機(jī)械、電源、驅(qū)動、配光、散熱各方面來說都可以進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)（Zhaga有其它相應(yīng)的規(guī)范）或集成式整體設(shè)計(jì)。可是無線連接技術(shù)的選擇就不是那么容易了。我們有太多的選項(xiàng)：

1） 近距通信技術(shù)，如Zigbee， 藍(lán)牙，Wi-Fi，Sub-G

2） 傳統(tǒng)的移動通信技術(shù)，如GPRS

3） 新的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，如NB-IoT， Lora等等

這些花樣繁多的通信技術(shù)各有各的技術(shù)優(yōu)勢和適用場景，如何選擇？今天的選擇明天還正確嗎？技術(shù)方案如果改了前期產(chǎn)品怎么辦？這道難題擺在每一個智能路燈制造商的面前。下面回答本節(jié)提出的問題：智能路燈接入物聯(lián)網(wǎng)，會遇到相對成熟、固定的燈具設(shè)計(jì)與花樣繁多、靈活多變的通信技術(shù)的適用和匹配問題。

借用哲學(xué)語言重新敘述一遍：當(dāng)前階段智能路燈的主要矛盾是燈具設(shè)計(jì)的確定性和連接技術(shù)的不確定性之間的矛盾。

3. Zhaga的解決之道

Zhaga的BOOK 18試圖解決這個問題。解決的思路與我們舉得那個簡單的例子是一樣的：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，各種應(yīng)用層出不窮。但是，路燈的功能卻是相對穩(wěn)定不變的，光的控制技術(shù)亦是相對成熟的?？梢詫⑾鄬潭ǖ牟糠謽?biāo)準(zhǔn)化下來，而將快速變化的部分開放出來。使得智能路燈的設(shè)計(jì)可以在相當(dāng)大的程度上做到“以不變應(yīng)萬變”。

如圖4所示，ZhagaBook 18將IoT連接模塊從智能燈具中抽離出來（相當(dāng)于例子中將CPU模塊從主控板中抽離出來），并詳細(xì)、完整的定義了擴(kuò)展模塊與燈具間的連接方式。同時，將模塊與云端的連接完全開放，制造商可以選擇任何合適的技術(shù)。

換句話說，面對智能路燈的主要矛盾，Zhaga的方法是：IoT模塊與燈具間的接口由Zhaga來完整定義，保證互操作性。至于連接云端的無線通信技術(shù)，作為LED行業(yè)的國際聯(lián)盟，Zhaga的態(tài)度可以用三個字概括——“隨它去”，或者換三個字——“走著瞧”。請注意，這并不是消極的態(tài)度。相反，這是非常積極的態(tài)度和定位。

圖4.Zhaga Book 18定義的技術(shù)界面

4. Zhaga的4-Pin接口和DALI協(xié)議

圖5 Zhaga BOOK 18定義的IoT擴(kuò)展插頭

圖5是BOOK18定義的插座，通過標(biāo)準(zhǔn)化的卡槽使得擴(kuò)展模塊快速地安裝在燈具上。擴(kuò)展模塊通過什么技術(shù)連接云端Zhaga并不涉及，但是該模塊與燈具間的接口卻有著嚴(yán)格的定義。見表1。

表1 Zhaga BOOK 18定義的控制接口（4pin定義）

Zhaga將擴(kuò)展模塊控制燈具的接口定義為DALI （Digital Addressable Lighting Interface，數(shù)字可尋址照明接口）。這樣做的目的，是控制接口的所有細(xì)節(jié)全部由DALI國際標(biāo)準(zhǔn)定義，不會存在任何技術(shù)環(huán)節(jié)的缺失。換句話說，Zhaga引用了DALI后，燈具控制接口的電信號特性、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議全部都是明晰的，不存在任何缺失或是歧義。這就從根本上保證了Zhaga標(biāo)準(zhǔn)的合理性和完整性，進(jìn)而，保證了Zhaga產(chǎn)品的即插即用和互操作性。

可是，Zhaga為什么要選擇DALI而不是其它？

讓我們回到問題的原點(diǎn)：Zhaga將連接模塊獨(dú)立出去，并將連接模塊與燈具間的接口作為Zhaga標(biāo)準(zhǔn)化的范圍。那么，Zhaga給出的規(guī)范應(yīng)當(dāng)具備以下兩個特性：

1） 唯一性，即無歧義。

2） 互操作性。凡是符合Zhaga規(guī)范的模塊和燈具可以即插即用，相互替換。

要滿足這兩個條件，作為控制協(xié)議而言，必須是一個“完整的協(xié)議“。借用OSI通信模型的概念，它應(yīng)該涵蓋物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

與DALI相對應(yīng)，很多我們耳熟能詳?shù)乃^“控制協(xié)議”，它們并非完整的協(xié)議。圖5給出完整協(xié)議的模型和常見的控制技術(shù)。

說句題外話，與DALI一樣，Zigbee是無線通信中的一種完整控制協(xié)議，這二者可以進(jìn)行類比。對Zigbee來說，其自下至上分別是：IEEE802.15.4物理層， Zigbee Pro 2017網(wǎng)絡(luò)層， 和Zigbee Cluster Library應(yīng)用層。

圖6. 控制協(xié)議的3層模型（簡化版OSI 7層模型）

到此為止，事情就很清晰了。Zhaga聯(lián)盟如果不試圖重新定義一種照明用控制協(xié)議的話（也確實(shí)無此必要），它應(yīng)當(dāng)選擇像DALI這樣的國際開放標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)檫x擇了DALI，就滿足了“唯一性”和“互操作性”兩個必要條件。反之，如果Zhaga不選擇DALI，而選擇比如UART，那么Zhaga還需要做很多事情：

1） UART定義了如何將一個字節(jié)進(jìn)行傳輸，可如何用電信號表征字節(jié)呢？UART不定義，Zhaga可以選擇比如RS422。

2） RS422定義了什么樣的電平是邏輯‘0’， 什么樣的電平是邏輯‘1’。UART給出了設(shè)備間傳輸字節(jié)的方法。那么，字節(jié)之上的應(yīng)用層在哪里？照明屬性的支持在哪里？Zhaga還需要進(jìn)行定義。

再進(jìn)一步講，單單1）提出的問題真的那么好回答嗎？剛才給出的RS422只是一個例子。其實(shí)這個例子并不滿足需求。要選擇一個合適的電氣連接，要考慮很多的事情。這個信號：

1） 單端vs. 差分？

2） 高速vs. 低速？

3） 電壓vs. 電流？

4） 長距離vs 短距離？

5） 單向vs. 雙向？

6） 點(diǎn)對點(diǎn) vs. 一對多？

7） 容錯性如何？

8） 是否需要阻抗匹配？

DALI標(biāo)準(zhǔn)的物理層是設(shè)計(jì)非常精巧，深思熟慮的電氣接口，絕不是隨便選擇的。它僅有兩根線，是一個極性不敏感的差分信號（即無所謂正負(fù)，可以反接），高壓差低速信號，支持長距離傳輸同時具備很強(qiáng)的容錯性，支持雙向通信和一對多網(wǎng)絡(luò)型通信，設(shè)備端無需進(jìn)行阻抗匹配。

我重復(fù)一遍：DALI具備差分極性不敏感高壓差低速強(qiáng)容錯雙向通信網(wǎng)絡(luò)型總線無需阻抗匹配的電氣接口。從電子工程的角度欣賞，這是一款具有美感的電接口。在作者所能及的范圍內(nèi)，只有工業(yè)控制總線可以與之媲美，比如CAN總線，但是后者對極性有要求（不可反接），而且為了更高的數(shù)據(jù)率必須對終端設(shè)備按需選擇匹配電阻。

5. 結(jié)束語

本文從一個電子設(shè)計(jì)的例子說起，引出了處理“確定性與不確定性”的思路，進(jìn)一步分析當(dāng)前智能路燈的主要矛盾和解決問題的方法。

顯而易見，Zhaga Book 18通過合適地分割燈具與控制模塊，并將兩者之間的接口進(jìn)行完整地定義與標(biāo)準(zhǔn)化，可以簡化智能路燈設(shè)計(jì)的難度。同時，完全開放的無線通信連接可以隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展不斷地演進(jìn)、變化。而這一變化并不會給路燈制造商帶來過多的困惑。