LED时代，SoC将如何改变模拟照明控制行业？

使用先进SoC技术的Tiny Silvair蓝牙网格评估节点

自21世纪初以来，片上系统解决方案对嵌入式和便携式技术产生了巨大影响。将多个专用芯片和功能集成到单个硅片中的概念为计算机小型化设立了新标准，推动了智能手机革命并为新应用铺平了道路。随着LED时代的到来，SoC进入照明元件市场，承诺彻底改变模拟照明控制行业。

这种转变正在进行中，伴随着混乱和不确定性，但毫无疑问，片上系统技术仍将是照明领域的一部分。但是，仍有许多挑战需要克服。连接照明的采用率并不是特别令人印象深刻，而且似乎在早期采用者阶段陷入困境。多年来我们一直听说智能照明的好处，但技术碎片并没有减少，无线系统在可靠性和可扩展性方面无法与有线解决方案相匹敌，而且未来的问题仍然多于答案。商业模式和行业标准。SoC是问题的一部分吗？让我们仔细研究片上系统技术，了解SoC设计的未来发展是否有助于广泛采用商业空间中的连接照明。

SoC基础架构和结构

片上系统包含许多硬件组件。每个SoC的核心都是CPU，这是进行信息处理的地方。根据所使用的处理器类型，不同类型的SoC可以以不同的速率处理信息。从商业照明系统的角度来看，这个过程的效率非常重要。网状拓扑被认为是连接照明应用所必需的，对无线网络基础设施提出了很高的要求。由于数百个数据包不断地在各个方向上传播，在各个节点之间中继并重复多次以防止数据包丢失，因此这种网络随着活动而嗡嗡作响。即使在给定空间内光照条件保持不变，它们也不会沉默。对于使用传感器来提高效率的自适应照明系统尤其如此，同时将各种类型的数据发送到云。连接照明系统只需要SoC处理比典型物联网应用程序更多的信息，这就是计算资源如此重要的原因。

信息处理能力也与易于开发密切相关。在使用效率较低的CPU时，开发人员需要花费大量时间进行代码优化。这导致更高的成本和更长的上市时间，因为程序员努力确保其软件堆栈的稳定性，而不是开发强大的软件功能。这同样适用于每个片上系统（存储器块）中的另一个硬件组件。基于80年代设计的架构的8kB RAM和8位处理器的SoC仍然可以在芯片制造商的产品组合中找到。它们确实提供了稳定的编程工具，但由于处理和存储能力有限，需要大量的优化工作。更新的片上系统解决方案，例如具有至少64kB RAM和32位处理器的解决方案，提供更高的效率和设计灵活性，同时支持使用高级编程技术，例如线程隔离。从开发人员的角度来看，为这样的硅建立软件堆栈是无比快速，简单和方便的。

除RAM存储器外，SoC还包括闪存。这是连接照明应用的另一个关键组件。闪存存储由无线网状网络的所有节点共享的信息。这包括敏感数据，例如安全密钥。专业照明中使用的SoC应该是内置闪存模块的绝对要求，因为它们能够抵抗所谓的“垃圾箱攻击”，这是一种经常被忽视的严重安全威胁。具有外部闪存的SoC，存储器单元可以脱焊，并且可以从中检索安全密钥，允许未经授权的人最终访问网络。使用内置闪存的SoC无法做到这一点。

SoC中的另一个硬件组件是无线电模块。为了实现更广泛的市场应用，硅供应商越来越多地为其芯片中的多个无线电协议提供支持。这似乎是对无线通信领域技术碎片的合理回应，尽管如果没有必要采取这种绝望行动，对每个人来说都会更好。多个协议栈需要更多资源，并且在物联网领域 - 特别是商业智能照明 - 从来没有足够的处理能力或内存。

SoC还包括各种集成外设，传感器和外部接口 - 例如UART或PWM。在开发用于连接照明应用的产品时，两者都非常相关，但在当今的SoC解决方案中常见。

SoC的演变

如果我们看看过去几年SoC设计的技术进步，就很难指出具体的突破性发展，可以称之为片上系统和照明产品之间更高集成度的真正推动者。从连接照明解决方案的角度来看，许多因素都很重要，但它更多的是逐步改进和优化而不是革命性的变化。在哪些方面这种改善最为重要？数据处理，内存资源和能源效率，仅举几例。正如已经强调的那样，更多资源转化为更高的稳定性和稳健性，同时允许更快的开发和更短的上市时间。但是，当我们深入研究连接照明产品中使用的软件堆栈的更多特定功能时，安全就是一个很好的例子。物联网中安全性的整个问题是相关的安全机制需要在资源非常有限的小型设备上运行。同时，可以在强大的计算农场上进行破解这些机制的尝试。智能设备必须经受住这样的尝试。如果我们希望有一天能看到医院，机场和学校内的连接灯，那么安全性必须完美无瑕。在传统的有线照明控制系统时代，这甚至都不是问题。不需要安全性。但在连接照明领域，这显然是最大的挑战之一。为了满足这些严格的要求，SoC需要处理高级加密和认证程序。最新一代芯片中的强大处理器能够处理现代有效的加密算法，而不会在整体SoC性能上有显着的折衷。为了更有效地支持加密机制，片上系统通常包括专用硬件安全模块。

具有更强处理能力和更多内存资源的芯片也可以处理其中实现更多功能的软件堆栈。这直接转化为智能照明产品可以容纳的更多功能。这些特征可以包括例如自动控制LED灯具的时间调度器，用于实时同步的系统，支持电池操作等。另一方面，闪存资源对于空中固件更新能力非常重要。具有足够闪存的SoC可以在不中断设备操作的情况下执行此过程，因为它们可以存储两个固件副本。在下载和实施更新时，设备可以继续使用原始副本，然后在所有内容准备就绪后切换到新版本。具有较小闪存资源的SoC需要在无线更新过程中覆盖原始固件，这使得无法通过网状网络执行此类更新。需要记住的是，连接照明的软件堆栈特别重。这再次表明，拥有更多资源的SoC更具功能性，可以实现更成熟，更可靠的产品。

我们提到能源效率是近年来取得最大进展的领域之一。对于照明和基于传感器的应用，这些进步是无价的。连接的照明网络的节点需要能够在恒定的基础上处理信息，即使它们中的一些没有固定的电源，这就是为什么支持有效的电池操作是必要的。此外，即使关闭LED灯具，它们的无线电也会不断开启 - 因此功耗的优化有助于防止过多的能量消耗。多年来，芯片供应商开发了先进的电源和资源管理机制，以最大限度地提高能效和电池寿命。在最新的芯片中，外设具有独立的自动时钟和电源管理功能，因此在不需要任务操作时可以关闭它们。这样可以将功耗降至最低。

SoC在智能照明应用中的应用

展望未来，我们能否期待SoC设计的任何惊人发展，为智能照明产品的开发者带来新机遇？我们可以期待很快开始见证的趋势是引入加密模块，可以从根本上提高连接设备的安全性。除了加速加密操作外，它们还将充当网络密钥的高度安全存储。这样的加密单元可以执行所有必要的加密程序，并且作为这些过程的一部分创建的密钥永远不会泄漏到外部 - 即使芯片能够使用它们来执行加密操作，它们也不会在SoC内部循环。在处理器方面，目前在现代SoC设计中越来越多地使用双核CPU。这种趋势可能会持续下去，但除此之外，我们不应期待未来几年SoC技术的任何硬件革命。我们可以期待的是相对较小的渐进式改进。CPU将变得稍微快一点，内存资源将不断增长，功耗将继续降低，从而在基于传感器的应用中实现更长的电池寿命。所有这些改进当然是受欢迎的，但这并不会推动商业空间中连接照明的广泛采用。市场上有SoC可以处理最苛刻的软件堆栈。硅技术已经成熟和先进，如今它们为我们提供了构建具有线状可靠性和多种强大功能的智能照明网络所需的所有工具。我们仍然缺乏完全可扩展且可全球互操作的低功耗无线通信技术。这是真正的革命尚未发生的地方，这是现在应该非常仔细地观察的领域。

SoC在照明领域的未来

就连接技术而言，今年看起来特别有趣。Thread Group最近宣布推出第一批认证软件堆栈，并最终推出了其产品认证计划。我们很快就能够验证这种新协议在连接照明应用中的表现。本文发布之时，蓝牙技术联盟也将发布期待已久的蓝牙网格规范。与应用层不可知的线程技术相反，蓝牙涵盖了OSI通信模型的所有层，因此似乎能很好地解决互操作性问题，可以说是广泛采用智能照明的最大障碍。随着旨在满足最新市场趋势和客户期望的新技术的到来，我们也可能看到传统协议逐渐消失。即将到来的几个月看起来非常有趣，因为我们可能最终看到连接照明中使用的无线连接解决方案之间的某种整合。

无论2017年将是低功耗无线通信的突破性一年，智能照明技术将随着时间的推移变得更加成熟和可靠。最终，业务将发展到硅供应商有理由开始为照明领域的客户展开更激烈的竞争。这时我们可能会看到专用于连接照明应用的第一行SoC。同样，我们不应期望这会引发任何革命，因为SoC-for-lighting设计很可能会专注于进一步优化。可能会增强关键组件（例如闪存资源），而可能会删除冗余组件（例如多媒体或显示器的接口）。开发将变得更加容易，成本将进一步下降。

结论

最后，在谈到连接照明的硬件时，我们不应忘记软件的关键作用。尽管我们需要SoC来处理构建专业智能照明系统所需的复杂软件堆栈，但它是定义这些系统将做什么以及我们将如何使用它们的软件。片上系统成为引入新功能和功能所需的另一个专用组件，但它们只是我们用来实现这些目标的手段。在公司，负责有关SoC设计实施的关键决策的人员通常更多地与软件而不是硬件有关。随着时间的推移，硅片可以根据软件需求进行调整，而不是相反。