【導讀】：日前，Zhaga聯盟最近的技術白皮書翻譯出爐，書中Zhaga Book 18 是主角，Zhaga Book 18的誕生將解決路燈接入物聯網系統遇到的問題。

Zhaga聯盟和ZigBee、藍牙這些聯盟有什么不一樣呢？Zhaga Book 18技術是如何幫助路燈接入物聯網系統的呢？下面這篇文章將帶來詳細解讀。

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。

假設你是一個電子工程師，需要為一個系統快速實現一個主控板。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軟件。這是每個公司每天都在發生的事。

首先，你想到的是功能需求分析和電路實現。前面說了，這個系統定義清晰明確，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：

1） 成本優先，盡可能簡單。你可以選擇單片機（MCU）。下一步，什么型號？

2） 性能優先，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） 軟硬件協同設計，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現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（因為系統的功能清楚，所以這個不難做到），即可通過幾個標準的排針將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立出去

這種分割，使得即使未來的軟件設計天翻地覆，只要系統的硬件功能不變，都可以通過設計新的小CPU板而實現升級換代。

2. Zhaga Book 18要解決的問題

每一種技術的誕生，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”）連入物聯網系統遇到的問題。

一個路燈接入物聯網會遇到什么問題？我們看下圖3。

圖3.路燈接入云端的技術選擇

如圖所示，一個路燈要作為物聯網設備接入云端，第一個要解決的問題是選擇合適的無線通信技術。對路燈的制造企業來說，路燈本身的設計是輕車熟路信手拈來，從機械、電源、驅動、配光、散熱各方面來說都可以進行模塊化設計（Zhaga有其它相應的規范）或集成式整體設計。可是無線連接技術的選擇就不是那么容易了。我們有太多的選項：

1） 近距通信技術，如Zigbee， 藍牙，Wi-Fi，Sub-G

2） 傳統的移動通信技術，如GPRS

3） 新的低功耗廣域網技術，如NB-IoT， Lora等等

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

借用哲學語言重新敘述一遍：當前階段智能路燈的主要矛盾是燈具設計的確定性和連接技術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：物聯網技術快速發展，各種應用層出不窮。但是，路燈的功能卻是相對穩定不變的，光的控制技術亦是相對成熟的。可以將相對固定的部分標準化下來，而將快速變化的部分開放出來。使得智能路燈的設計可以在相當大的程度上做到“以不變應萬變”。

如圖4所示，ZhagaBook 18將IoT連接模塊從智能燈具中抽離出來（相當于例子中將CPU模塊從主控板中抽離出來），并詳細、完整的定義了擴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。

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，作為LED行業的國際聯盟，Zhaga的態度可以用三個字概括——“隨它去”，或者換三個字——“走著瞧”。請注意，這并不是消極的態度。相反，這是非常積極的態度和定位。

圖4.Zhaga Book 18定義的技術界面

4. Zhaga的4-Pin接口和DALI協議

圖5 Zhaga BOOK 18定義的IoT擴展插頭

圖5是BOOK18定義的插座，通過標準化的卡槽使得擴展模塊快速地安裝在燈具上。擴展模塊通過什么技術連接云端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將擴展模塊控制燈具的接口定義為DALI （Digital Addressable Lighting Interface，數字可尋址照明接口）。這樣做的目的，是控制接口的所有細節全部由DALI國際標準定義，不會存在任何技術環節的缺失。換句話說，Zhaga引用了DALI后，燈具控制接口的電信號特性、數據傳輸協議、應用層協議全部都是明晰的，不存在任何缺失或是歧義。這就從根本上保證了Zhaga標準的合理性和完整性，進而，保證了Zhaga產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：Zhaga將連接模塊獨立出去，并將連接模塊與燈具間的接口作為Zhaga標準化的范圍。那么，Zhaga給出的規范應當具備以下兩個特性：

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，作為控制協議而言，必須是一個“完整的協議“。借用OSI通信模型的概念，它應該涵蓋物理層、網絡層和應用層。

與DALI相對應，很多我們耳熟能詳的所謂“控制協議”，它們并非完整的協議。圖5給出完整協議的模型和常見的控制技術。

說句題外話，與DALI一樣，Zigbee是無線通信中的一種完整控制協議，這二者可以進行類比。對Zigbee來說，其自下至上分別是：IEEE802.15.4物理層， Zigbee Pro 2017網絡層， 和Zigbee Cluster Library應用層。

圖6. 控制協議的3層模型（簡化版OSI 7層模型）

到此為止，事情就很清晰了。Zhaga聯盟如果不試圖重新定義一種照明用控制協議的話（也確實無此必要），它應當選擇像DALI這樣的國際開放標準。因為選擇了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進行傳輸，可如何用電信號表征字節呢？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給出了設備間傳輸字節的方法。那么，字節之上的應用層在哪里？照明屬性的支持在哪里？Zhaga還需要進行定義。

再進一步講，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） 點對點 vs. 一對多？

7） 容錯性如何？

8） 是否需要阻抗匹配？

DALI標準的物理層是設計非常精巧，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，可以反接），高壓差低速信號，支持長距離傳輸同時具備很強的容錯性，支持雙向通信和一對多網絡型通信，設備端無需進行阻抗匹配。

我重復一遍：DALI具備差分極性不敏感高壓差低速強容錯雙向通信網絡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，只有工業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），而且為了更高的數據率必須對終端設備按需選擇匹配電阻。

5. 結束語

本文從一個電子設計的例子說起，引出了處理“確定性與不確定性”的思路，進一步分析當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行完整地定義與標準化，可以簡化智能路燈設計的難度。同時，完全開放的無線通信連接可以隨著物聯網技術的發展不斷地演進、變化。而這一變化并不會給路燈制造商帶來過多的困惑。