厦门四信：LoRa、NB-IoT、ZigBee在智慧照明应用中的经验分享

大家好，很高兴今天作为一个重量级的嘉宾压轴登场，是，重量级，大家看体型就知道了。我是厦门四信的产品经理，今天主要分享下 LoRa、NB-IoT、ZigBee等技术在智慧照明应用中的一些心得。整个PPT会按照如下的框架来讲述：先用两页PPT来简单介绍写四信，然后介绍具体的无线技术，接着主要分享下在智慧照明应用的一些心得，最后结合客户实际案例，让大家对四信的产品有个具象的了解。一、四信公司概况四信是成立于2008年，明年即将迎来十周年。这期间也获过一些成绩，比如这个福建省著名商标，福建省科技小巨人，以及这个纳税超千万等等。去年开始四信内部积极地进行二次创业，四信通信母公司开发孵化出多家全资子公司。如精耕海外市场的香港四信，垂直运营水利信息网的四信物联网，垂直运营配网自动化的四信智慧电力。以及专注于SMT、生产加工的四信电子，为各产品线提供产能保障。简单介绍完公司，下面介绍我们产品相关的几个无线技术。二、主流技术对比LoRa技术在这两年特别地火，LoRa的名字主要来自于英文LongRange，长距离通信也是LoRa最大的特点。由于LoRa出身草根，于是自打2015年初成立了LoRa联盟，就极力拉拢各方势力，想在NB-IoT出来前，逐步成为低功耗广域网的事实标准。由于拉拢了一波一级电信运营商，LoRa联盟逐步开疆扩土，全球42个国家都已经公开宣布部署国家级的LoRa网络。四信也是国内较早一批开发LoRa技术，这是四信的LoRa产品系列，有模组，有终端，还有相关的网关产品。目前我们在厦门的海边测试过距离是11.5公里，最远的距离是用图中的F8L10D-E这款产品实现的，它的发射功率是30dBm。相比于LoRa，来自于3GPP的NB-IoT出身则高贵地多。它在2014年5月由华为和沃达丰联合提出，当时还叫NB CIoT。特别是去年2016年6月标准冻结后，整个产业链都沸腾起来，芯片、模组、终端、运营商都很热闹。R13的增强版本，加了广播和定位等功能的R14，预计在今年晚点会出来。而四信也是较早就布局NB-IoT的开发，目前已开发了NB-IoT的终端，在深圳也布局了一个团队在开发NB的模组。如图，是今年5月在福州，四信唐总与中国电信签署NB-IoT战略合作协议。ZigBee由于强大而灵活网络特性，很早就应用在很多工业领域，如图是典型的拓扑结构。ZigBee算是四信的传统产品，提供了模组、终端、网关系列产品，目前这些产品已经有很多实际案例。比如这个F8913D模块是中石化胜利油田一直在用的，这个F8914终端是施耐德的母线测温在用等等。那大致介绍了几个技术，大家很容易去对比下几个技术。于是乎，百度一下，就出来这样的鬼东西。各种营销势力在各个角落里暗潮涌动，“为什么ZigBee那么好用，他还是选择了LoRa?”，“为什么ZigBee和LoRa那么好用，他还是选择了NB-IoT?”。我们翻到了华为的白皮书，按照华为家的说法，NB除了在生态系统方面落后一点，其余所有维度都压过了LoRa。而LoRa也不甘示弱，在自己的白皮书中，除了速率，成本、电池寿命、距离等几方面都比NB要强。这张PPT就更有意思了，不知道大家有没有听过这家公司，是高通的创始人之一创办的，做了一个低功耗广域网技术 RPMA。这张截图，是Ingenu在自己官网首页上公开嘲讽其他几家技术，比如这个“LoRa给物联网方案商准备的九大惊喜”、这个“Sigfox给物联网设备商准备的八大惊喜”。NB-IoT它也没放过，“你必须要知道NB-IoT的七大惊喜”，这家公司真是太讨人喜欢了。作为一个无聊的产品经理，我也是闲着没事的时候才找到了这家物联网届的网红公司，很有意思。我还给它取了个中文名，叫英巨牛(升调)。是吧，巨牛，还挺贴切的。好了，段子讲完了，回过头来，我们还是冷静客观地对比下3个技术，特别是在照明行业中的优缺点对比。这是几个主要的维度。覆盖上，NB-IoT由于有运营商罩着，专门安排人做网归和网优，所以不用管传输距离。LoRa则适合企业自建网络，它的传输距离比较远，我们测过在最低SF12 125KHz，20dBm，1米测试高度的情况下，大概能达到3300多米。而ZigBee在道路上最远是做到600多米。速率上，路灯场景还是会在乎点速率，速率越高，轮询一遍的效率也会提高。ZigBee比较快，由于物理层是250Kbps，所以传输的及时性比较高。NB-IoT稍弱些。而LoRa由于扩频编码极大地消耗了资源，速率是最慢的。另外一个就是成本上，几个技术的模组价格应该都差不多，目前来看，NB-IoT略贵LoRa，LoRa略贵ZigBee。但主要NB-IoT还涉及一个流量费用。这个可能是现阶段制约NB-IoT往智慧照明行业发展的一大因素。当然，时代在变，也许后面NB-IoT出了别的杀手锏也不一定。最后一个维度是网络规模，照明行业有个最大的特点是，节点数量特别多。不光是路灯、景观灯、或是楼宇照明，都比其他的网络规模要大。NB-IoT号称每个小区可支持5万个节点，当然现在实际还没有那么多的模块。ZigBee我们相对了解，最早期测试时，路由节点大概只能做到四五十个，再往上加就会出现各式各样的孤节点问题。关于网络规模，是一个大家都比较关心的话题。我们从一开始就遇到有客户，需要400节点的网络，也折腾了挺长一段时间，有积累了一点经验。三、智慧照明经验分享因此今天主要想针对大组网这个行业痛点，做一些分享。谈谈如何突破400节点网络容量。这是后来我们收到的培训邀请，TI的公开课，三天5000块钱。课程中重点介绍了如何搭建400节点ZigBee网络，所以今天这分享，大家很可能是赚到了。好了，在讨论网络规模的时候，大家很容易想到我们的手机。比如我们几百号人今天坐在这个会议室里，都不会出现冲突，大家还是可以照常刷朋友圈，打王者荣耀。所以通讯界肯定有好办法可以学习。3.1 向通讯届找答案FDMA，频分多址，利用不同信道频率互不影响的原理实现多用户同时接入。最早期电子产业做出了滤波器，这东西可以实现对通信信道的分割，所以FDMA很顺理成章地被拿来实现第一代通信系统。对于照明领域，类似的方法，就是分割信道，分割出不同的信道网络。除了一代的FDMA可以借鉴思路，还有二代的TDMA可以给我们一点启发。时分多址，就是将时间分割出多个时隙，不同用户在不同的时隙里进行通信。改革开放初期，石英振荡器成熟，使得高精度的定时技术得以实现。于是诞生了TDMA，用于第二代通信系统。大家以前打电话，应该有遇到过，打着打着，突然就跳线路了，和某个陌生人搭上线。这就是早期TDMA上会出现的问题，因为精度误差等，时隙错乱了。不过，TDMA这块在照明行业貌似应用地不多，我们主要是用在非照明行业里，因为它比较适合上行。接下来就到了第三代通信系统CDMA，它是码分多址，利用正交码来实现数据的并行传输。这个CDMA就是高通研发完成的，高通也因此一下子变成巨头公司。当然，CDMA、OFDMA等技术是越来越牛逼，特别是在网络容量上。但相应的，对芯片要求变高了。所以目前主要还是用在手机等通讯设备上。既然提到了CDMA，就不得不提下通信界的女神-海蒂马拉。锤子科技就曾经在发布会上放出了这样一个海报。人长得漂亮，还这么聪明，真是不得了。很多通信课的老师讲到CDMA的时候也都会拿女神来激励下莘莘学子。3.2 从应用模型上思考好了，刚才是从通信界找答案，现在我们试着从应用模型上去思考。这是最简单的纯ALOHA网络，就是说节点是随机发数据，想什么时候发就什么时候发。图上就是在某些时候，ABCD集中发数据，由于信道冲突，导致数据包出错丢失。而后面没有冲突时，数据则稳定传输。所以，这里提到了是一个最简单的办法。就是改变上下行应用模型，与其随机上报，引发数据冲突；不如下行轮询，保证传输稳定。比如说，在座的各位都和我一样特别喜欢吃武汉热干面。如果我们一窝蜂地全挤到小店里要吃面，那就产生了数据冲突，乱套了。那解决办法就是，店老板采用主动叫号的方式，一个个过来取面，取数据。3.3 稳定的路由协议我们知道ZigBee的内核实际是一个AODV的框架，AODV从字面理解是“按需平面距离向量路由协议”，是按需的，也就是说是在要发数据时才去找路径。而路由请求的开销很大，在小网络中还好，但如果放在一个400节点的网络中，则相当于产生了一次网络风暴。解决的办法有很多，比如采用源路由等先验式的路由协议。也还是拿热干面做比方，老板面做好了要拿给顾客。她大喊一声，诶，谁的热干面？这就是老板一开始不去记每个人坐在哪里，而是靠广播路由请求的方式来找人。如果顾客变多了，那么这种方式肯定乱套了。所以我们需要先验式的路由协议，提前把大家坐哪里给记住了，这样送面就变得有条不紊。3.4 降低网络管理开销第四种办法，那就是尽量降低网络管理开销。最典型的，就是ZigBee路由节点周期性 linkstatus，假如用的是ZStack，默认是15秒。在一个大的网络里抓包，那么刷刷刷，全部都是这个数据。我们还是拿热干面做比方。面店老板肯定有员工，家人，亲戚朋友，那如果这些人也在店里吃饭，特别是一些狐朋狗友是吧，吃了饭还不给钱，那这就是网络管理开销。毕竟自己人在吃面的多了，外头进来的顾客就少了。3.5 精减数据载荷第五种方法，就是精简数据载荷。一些客户可能是处于协议兼容性的考虑，采用之前PLC等有线方式的协议数据，一次就要发100多字节。而这是不可取的，原因有如下两点：越长的空中数据，越容易受到干扰。802.15.4的最大载荷长度是116字节，数据帧要是过长，超过就会分包，反而产生了比较大的开销。这如果用热干面来打比方呢?还是不举例子，万一老板的面份量少了，那我就亏大了。我们自己做的系统，就会设计出高效率的协议，用尽量少的字节来传输数据。合理利用技术特点，所以我们整套的方案，稳定性也比较高。这些思路也用在了我们的LightBee协议中，组网节点实测大于500个纯路由。3.6 小结好了，如上就是我们对于大数量节点组网的一些思考总结。我们梳理下刚才提到了5个方法。先是从通信界找答案，尝试划分信道加大组网容量。接着分别从应用模型下行轮询、避免反应式的路由协议、降低网络管理开销、精简数据载荷等角度解决大组网的问题，那我们用了热干面来给大家打比方，可以说，解决大数量节点组网的问题，实际是解决人民群众吃面难的问题。总的来说，就是想办法让数据包高效有序地传输。四、四信照明案例分享如图是一个典型的智慧路灯的系统拓扑图。四信是提供控制器的模块、网关、照明平台的一系列方案。举个客户案例，如图是分别两个客户应用四信传输模块做的控制器，一个是做校园照明的LED控制器，一个是用于太阳能等新能源的路灯控制器。在这些方案中，四信传输模块不仅承担了大组网的通讯任务，还负责了电流电压采集、PWM调光等照明应用业务，无需额外的CPU，帮助客户节省了总体的硬件成本。像这个校园照明的客户，想法很好，是采用一种类似滴滴打车的商业模式来运营校园照明系统。两三个人的团队，很了不起，折腾出了几百万的销售额。这是四信为客户定制开发的照明平台之一，提供了从硬件控制器端直到云平台的一篮子解决方案。总的来说，就是四信能给照明行业的客户省不少事情。这也是我们的企业使命，当然，对大部分人来说这都是套话。“用技术实现客户价值，用商业实践员工幸福”。结合刚才提到的例子，这个校园照明因为我们的解决方案，用一种轻资产的方式，非常快速地达到了自己的目标，实现人均几百万的产值，我觉得这就体现了我们的价值。如果一些朋友有好想法、好渠道，却急需开发资源、急需解决方案，欢迎联系我们。结语谢谢大家，这就是我今天的分享，希望对大家有所启发。了解详情