使用先進(jìn)SoC技術(shù)的Tiny Silvair藍(lán)牙網(wǎng)格評(píng)估節(jié)點(diǎn)

自21世紀(jì)初以來，片上系統(tǒng)解決方案對(duì)嵌入式和便攜式技術(shù)產(chǎn)生了巨大影響。將多個(gè)專用芯片和功能集成到單個(gè)硅片中的概念為計(jì)算機(jī)小型化設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了智能手機(jī)革命并為新應(yīng)用鋪平了道路。隨著LED時(shí)代的到來，SoC進(jìn)入照明元件市場(chǎng)，承諾徹底改變模擬照明控制行業(yè)。

這種轉(zhuǎn)變正在進(jìn)行中，伴隨著混亂和不確定性，但毫無疑問，片上系統(tǒng)技術(shù)仍將是照明領(lǐng)域的一部分。但是，仍有許多挑戰(zhàn)需要克服。連接照明的采用率并不是特別令人印象深刻，而且似乎在早期采用者階段陷入困境。多年來我們一直聽說智能照明的好處，但技術(shù)碎片并沒有減少，無線系統(tǒng)在可靠性和可擴(kuò)展性方面無法與有線解決方案相匹敵，而且未來的問題仍然多于答案。商業(yè)模式和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SoC是問題的一部分嗎？讓我們仔細(xì)研究片上系統(tǒng)技術(shù)，了解SoC設(shè)計(jì)的未來發(fā)展是否有助于廣泛采用商業(yè)空間中的連接照明。

SoC基礎(chǔ)架構(gòu)和結(jié)構(gòu)

片上系統(tǒng)包含許多硬件組件。每個(gè)SoC的核心都是CPU，這是進(jìn)行信息處理的地方。根據(jù)所使用的處理器類型，不同類型的SoC可以以不同的速率處理信息。從商業(yè)照明系統(tǒng)的角度來看，這個(gè)過程的效率非常重要。網(wǎng)狀拓?fù)浔徽J(rèn)為是連接照明應(yīng)用所必需的，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提出了很高的要求。由于數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)包不斷地在各個(gè)方向上傳播，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間中繼并重復(fù)多次以防止數(shù)據(jù)包丟失，因此這種網(wǎng)絡(luò)隨著活動(dòng)而嗡嗡作響。即使在給定空間內(nèi)光照條件保持不變，它們也不會(huì)沉默。對(duì)于使用傳感器來提高效率的自適應(yīng)照明系統(tǒng)尤其如此，同時(shí)將各種類型的數(shù)據(jù)發(fā)送到云。連接照明系統(tǒng)只需要SoC處理比典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序更多的信息，這就是計(jì)算資源如此重要的原因。

信息處理能力也與易于開發(fā)密切相關(guān)。在使用效率較低的CPU時(shí)，開發(fā)人員需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行代碼優(yōu)化。這導(dǎo)致更高的成本和更長(zhǎng)的上市時(shí)間，因?yàn)?a target="_blank">程序員努力確保其軟件堆棧的穩(wěn)定性，而不是開發(fā)強(qiáng)大的軟件功能。這同樣適用于每個(gè)片上系統(tǒng)（存儲(chǔ)器塊）中的另一個(gè)硬件組件?；?0年代設(shè)計(jì)的架構(gòu)的8kB RAM和8位處理器的SoC仍然可以在芯片制造商的產(chǎn)品組合中找到。它們確實(shí)提供了穩(wěn)定的編程工具，但由于處理和存儲(chǔ)能力有限，需要大量的優(yōu)化工作。更新的片上系統(tǒng)解決方案，例如具有至少64kB RAM和32位處理器的解決方案，提供更高的效率和設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)支持使用高級(jí)編程技術(shù)，例如線程隔離。從開發(fā)人員的角度來看，為這樣的硅建立軟件堆棧是無比快速，簡(jiǎn)單和方便的。

除RAM存儲(chǔ)器外，SoC還包括閃存。這是連接照明應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵組件。閃存存儲(chǔ)由無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)共享的信息。這包括敏感數(shù)據(jù)，例如安全密鑰。專業(yè)照明中使用的SoC應(yīng)該是內(nèi)置閃存模塊的絕對(duì)要求，因?yàn)樗鼈兡軌虻挚顾^的“垃圾箱攻擊”，這是一種經(jīng)常被忽視的嚴(yán)重安全威脅。具有外部閃存的SoC，存儲(chǔ)器單元可以脫焊，并且可以從中檢索安全密鑰，允許未經(jīng)授權(quán)的人最終訪問網(wǎng)絡(luò)。使用內(nèi)置閃存的SoC無法做到這一點(diǎn)。

SoC中的另一個(gè)硬件組件是無線電模塊。為了實(shí)現(xiàn)更廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用，硅供應(yīng)商越來越多地為其芯片中的多個(gè)無線電協(xié)議提供支持。這似乎是對(duì)無線通信領(lǐng)域技術(shù)碎片的合理回應(yīng)，盡管如果沒有必要采取這種絕望行動(dòng)，對(duì)每個(gè)人來說都會(huì)更好。多個(gè)協(xié)議棧需要更多資源，并且在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域 - 特別是商業(yè)智能照明 - 從來沒有足夠的處理能力或內(nèi)存。

SoC還包括各種集成外設(shè)，傳感器和外部接口 - 例如UART或PWM。在開發(fā)用于連接照明應(yīng)用的產(chǎn)品時(shí)，兩者都非常相關(guān)，但在當(dāng)今的SoC解決方案中常見。

SoC的演變

如果我們看看過去幾年SoC設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)步，就很難指出具體的突破性發(fā)展，可以稱之為片上系統(tǒng)和照明產(chǎn)品之間更高集成度的真正推動(dòng)者。從連接照明解決方案的角度來看，許多因素都很重要，但它更多的是逐步改進(jìn)和優(yōu)化而不是革命性的變化。在哪些方面這種改善最為重要？數(shù)據(jù)處理，內(nèi)存資源和能源效率，僅舉幾例。正如已經(jīng)強(qiáng)調(diào)的那樣，更多資源轉(zhuǎn)化為更高的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性，同時(shí)允許更快的開發(fā)和更短的上市時(shí)間。但是，當(dāng)我們深入研究連接照明產(chǎn)品中使用的軟件堆棧的更多特定功能時(shí)，安全就是一個(gè)很好的例子。物聯(lián)網(wǎng)中安全性的整個(gè)問題是相關(guān)的安全機(jī)制需要在資源非常有限的小型設(shè)備上運(yùn)行。同時(shí)，可以在強(qiáng)大的計(jì)算農(nóng)場(chǎng)上進(jìn)行破解這些機(jī)制的嘗試。智能設(shè)備必須經(jīng)受住這樣的嘗試。如果我們希望有一天能看到醫(yī)院，機(jī)場(chǎng)和學(xué)校內(nèi)的連接燈，那么安全性必須完美無瑕。在傳統(tǒng)的有線照明控制系統(tǒng)時(shí)代，這甚至都不是問題。不需要安全性。但在連接照明領(lǐng)域，這顯然是最大的挑戰(zhàn)之一。為了滿足這些嚴(yán)格的要求，SoC需要處理高級(jí)加密和認(rèn)證程序。最新一代芯片中的強(qiáng)大處理器能夠處理現(xiàn)代有效的加密算法，而不會(huì)在整體SoC性能上有顯著的折衷。為了更有效地支持加密機(jī)制，片上系統(tǒng)通常包括專用硬件安全模塊。

具有更強(qiáng)處理能力和更多內(nèi)存資源的芯片也可以處理其中實(shí)現(xiàn)更多功能的軟件堆棧。這直接轉(zhuǎn)化為智能照明產(chǎn)品可以容納的更多功能。這些特征可以包括例如自動(dòng)控制LED燈具的時(shí)間調(diào)度器，用于實(shí)時(shí)同步的系統(tǒng)，支持電池操作等。另一方面，閃存資源對(duì)于空中固件更新能力非常重要。具有足夠閃存的SoC可以在不中斷設(shè)備操作的情況下執(zhí)行此過程，因?yàn)樗鼈兛梢源鎯?chǔ)兩個(gè)固件副本。在下載和實(shí)施更新時(shí)，設(shè)備可以繼續(xù)使用原始副本，然后在所有內(nèi)容準(zhǔn)備就緒后切換到新版本。具有較小閃存資源的SoC需要在無線更新過程中覆蓋原始固件，這使得無法通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行此類更新。需要記住的是，連接照明的軟件堆棧特別重。這再次表明，擁有更多資源的SoC更具功能性，可以實(shí)現(xiàn)更成熟，更可靠的產(chǎn)品。

我們提到能源效率是近年來取得最大進(jìn)展的領(lǐng)域之一。對(duì)于照明和基于傳感器的應(yīng)用，這些進(jìn)步是無價(jià)的。連接的照明網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)需要能夠在恒定的基礎(chǔ)上處理信息，即使它們中的一些沒有固定的電源，這就是為什么支持有效的電池操作是必要的。此外，即使關(guān)閉LED燈具，它們的無線電也會(huì)不斷開啟 - 因此功耗的優(yōu)化有助于防止過多的能量消耗。多年來，芯片供應(yīng)商開發(fā)了先進(jìn)的電源和資源管理機(jī)制，以最大限度地提高能效和電池壽命。在最新的芯片中，外設(shè)具有獨(dú)立的自動(dòng)時(shí)鐘和電源管理功能，因此在不需要任務(wù)操作時(shí)可以關(guān)閉它們。這樣可以將功耗降至最低。

SoC在智能照明應(yīng)用中的應(yīng)用

展望未來，我們能否期待SoC設(shè)計(jì)的任何驚人發(fā)展，為智能照明產(chǎn)品的開發(fā)者帶來新機(jī)遇？我們可以期待很快開始見證的趨勢(shì)是引入加密模塊，可以從根本上提高連接設(shè)備的安全性。除了加速加密操作外，它們還將充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)密鑰的高度安全存儲(chǔ)。這樣的加密單元可以執(zhí)行所有必要的加密程序，并且作為這些過程的一部分創(chuàng)建的密鑰永遠(yuǎn)不會(huì)泄漏到外部 - 即使芯片能夠使用它們來執(zhí)行加密操作，它們也不會(huì)在SoC內(nèi)部循環(huán)。在處理器方面，目前在現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)中越來越多地使用雙核CPU。這種趨勢(shì)可能會(huì)持續(xù)下去，但除此之外，我們不應(yīng)期待未來幾年SoC技術(shù)的任何硬件革命。我們可以期待的是相對(duì)較小的漸進(jìn)式改進(jìn)。CPU將變得稍微快一點(diǎn)，內(nèi)存資源將不斷增長(zhǎng)，功耗將繼續(xù)降低，從而在基于傳感器的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的電池壽命。所有這些改進(jìn)當(dāng)然是受歡迎的，但這并不會(huì)推動(dòng)商業(yè)空間中連接照明的廣泛采用。市場(chǎng)上有SoC可以處理最苛刻的軟件堆棧。硅技術(shù)已經(jīng)成熟和先進(jìn)，如今它們?yōu)槲覀兲峁┝藰?gòu)建具有線狀可靠性和多種強(qiáng)大功能的智能照明網(wǎng)絡(luò)所需的所有工具。我們?nèi)匀蝗狈ν耆蓴U(kuò)展且可全球互操作的低功耗無線通信技術(shù)。這是真正的革命尚未發(fā)生的地方，這是現(xiàn)在應(yīng)該非常仔細(xì)地觀察的領(lǐng)域。

SoC在照明領(lǐng)域的未來

就連接技術(shù)而言，今年看起來特別有趣。Thread Group最近宣布推出第一批認(rèn)證軟件堆棧，并最終推出了其產(chǎn)品認(rèn)證計(jì)劃。我們很快就能夠驗(yàn)證這種新協(xié)議在連接照明應(yīng)用中的表現(xiàn)。本文發(fā)布之時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟也將發(fā)布期待已久的藍(lán)牙網(wǎng)格規(guī)范。與應(yīng)用層不可知的線程技術(shù)相反，藍(lán)牙涵蓋了OSI通信模型的所有層，因此似乎能很好地解決互操作性問題，可以說是廣泛采用智能照明的最大障礙。隨著旨在滿足最新市場(chǎng)趨勢(shì)和客戶期望的新技術(shù)的到來，我們也可能看到傳統(tǒng)協(xié)議逐漸消失。即將到來的幾個(gè)月看起來非常有趣，因?yàn)槲覀兛赡茏罱K看到連接照明中使用的無線連接解決方案之間的某種整合。

無論2017年將是低功耗無線通信的突破性一年，智能照明技術(shù)將隨著時(shí)間的推移變得更加成熟和可靠。最終，業(yè)務(wù)將發(fā)展到硅供應(yīng)商有理由開始為照明領(lǐng)域的客戶展開更激烈的競(jìng)爭(zhēng)。這時(shí)我們可能會(huì)看到專用于連接照明應(yīng)用的第一行SoC。同樣，我們不應(yīng)期望這會(huì)引發(fā)任何革命，因?yàn)镾oC-for-lighting設(shè)計(jì)很可能會(huì)專注于進(jìn)一步優(yōu)化?？赡軙?huì)增強(qiáng)關(guān)鍵組件（例如閃存資源），而可能會(huì)刪除冗余組件（例如多媒體或顯示器的接口）。開發(fā)將變得更加容易，成本將進(jìn)一步下降。

結(jié)論

最后，在談到連接照明的硬件時(shí)，我們不應(yīng)忘記軟件的關(guān)鍵作用。盡管我們需要SoC來處理構(gòu)建專業(yè)智能照明系統(tǒng)所需的復(fù)雜軟件堆棧，但它是定義這些系統(tǒng)將做什么以及我們將如何使用它們的軟件。片上系統(tǒng)成為引入新功能和功能所需的另一個(gè)專用組件，但它們只是我們用來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的手段。在公司，負(fù)責(zé)有關(guān)SoC設(shè)計(jì)實(shí)施的關(guān)鍵決策的人員通常更多地與軟件而不是硬件有關(guān)。隨著時(shí)間的推移，硅片可以根據(jù)軟件需求進(jìn)行調(diào)整，而不是相反。