使用先進SoC技術的Tiny Silvair藍牙網格評估節點

自21世紀初以來，片上系統解決方案對嵌入式和便攜式技術產生了巨大影響。將多個專用芯片和功能集成到單個硅片中的概念為計算機小型化設立了新標準，推動了智能手機革命并為新應用鋪平了道路。隨著LED時代的到來，SoC進入照明元件市場，承諾徹底改變模擬照明控制行業。

這種轉變正在進行中，伴隨著混亂和不確定性，但毫無疑問，片上系統技術仍將是照明領域的一部分。但是，仍有許多挑戰需要克服。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，但技術碎片并沒有減少，無線系統在可靠性和可擴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。商業模式和行業標準。SoC是問題的一部分嗎？讓我們仔細研究片上系統技術，了解SoC設計的未來發展是否有助于廣泛采用商業空間中的連接照明。

SoC基礎架構和結構

片上系統包含許多硬件組件。每個SoC的核心都是CPU，這是進行信息處理的地方。根據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。從商業照明系統的角度來看，這個過程的效率非常重要。網狀拓撲被認為是連接照明應用所必需的，對無線網絡基礎設施提出了很高的要求。由于數百個數據包不斷地在各個方向上傳播，在各個節點之間中繼并重復多次以防止數據包丟失，因此這種網絡隨著活動而嗡嗡作響。即使在給定空間內光照條件保持不變，它們也不會沉默。對于使用傳感器來提高效率的自適應照明系統尤其如此，同時將各種類型的數據發送到云。連接照明系統只需要SoC處理比典型物聯網應用程序更多的信息，這就是計算資源如此重要的原因。

信息處理能力也與易于開發密切相關。在使用效率較低的CPU時，開發人員需要花費大量時間進行代碼優化。這導致更高的成本和更長的上市時間，因為程序員努力確保其軟件堆棧的穩定性，而不是開發強大的軟件功能。這同樣適用于每個片上系統（存儲器塊）中的另一個硬件組件。基于80年代設計的架構的8kB RAM和8位處理器的SoC仍然可以在芯片制造商的產品組合中找到。它們確實提供了穩定的編程工具，但由于處理和存儲能力有限，需要大量的優化工作。更新的片上系統解決方案，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計靈活性，同時支持使用高級編程技術，例如線程隔離。從開發人員的角度來看，為這樣的硅建立軟件堆棧是無比快速，簡單和方便的。

除RAM存儲器外，SoC還包括閃存。這是連接照明應用的另一個關鍵組件。閃存存儲由無線網狀網絡的所有節點共享的信息。這包括敏感數據，例如安全密鑰。專業照明中使用的SoC應該是內置閃存模塊的絕對要求，因為它們能夠抵抗所謂的“垃圾箱攻擊”，這是一種經常被忽視的嚴重安全威脅。具有外部閃存的SoC，存儲器單元可以脫焊，并且可以從中檢索安全密鑰，允許未經授權的人最終訪問網絡。使用內置閃存的SoC無法做到這一點。

SoC中的另一個硬件組件是無線電模塊。為了實現更廣泛的市場應用，硅供應商越來越多地為其芯片中的多個無線電協議提供支持。這似乎是對無線通信領域技術碎片的合理回應，盡管如果沒有必要采取這種絕望行動，對每個人來說都會更好。多個協議棧需要更多資源，并且在物聯網領域 - 特別是商業智能照明 - 從來沒有足夠的處理能力或內存。

SoC還包括各種集成外設，傳感器和外部接口 - 例如UART或PWM。在開發用于連接照明應用的產品時，兩者都非常相關，但在當今的SoC解決方案中常見。

SoC的演變

如果我們看看過去幾年SoC設計的技術進步，就很難指出具體的突破性發展，可以稱之為片上系統和照明產品之間更高集成度的真正推動者。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和優化而不是革命性的變化。在哪些方面這種改善最為重要？數據處理，內存資源和能源效率，僅舉幾例。正如已經強調的那樣，更多資源轉化為更高的穩定性和穩健性，同時允許更快的開發和更短的上市時間。但是，當我們深入研究連接照明產品中使用的軟件堆棧的更多特定功能時，安全就是一個很好的例子。物聯網中安全性的整個問題是相關的安全機制需要在資源非常有限的小型設備上運行。同時，可以在強大的計算農場上進行破解這些機制的嘗試。智能設備必須經受住這樣的嘗試。如果我們希望有一天能看到醫院，機場和學校內的連接燈，那么安全性必須完美無瑕。在傳統的有線照明控制系統時代，這甚至都不是問題。不需要安全性。但在連接照明領域，這顯然是最大的挑戰之一。為了滿足這些嚴格的要求，SoC需要處理高級加密和認證程序。最新一代芯片中的強大處理器能夠處理現代有效的加密算法，而不會在整體SoC性能上有顯著的折衷。為了更有效地支持加密機制，片上系統通常包括專用硬件安全模塊。

具有更強處理能力和更多內存資源的芯片也可以處理其中實現更多功能的軟件堆棧。這直接轉化為智能照明產品可以容納的更多功能。這些特征可以包括例如自動控制LED燈具的時間調度器，用于實時同步的系統，支持電池操作等。另一方面，閃存資源對于空中固件更新能力非常重要。具有足夠閃存的SoC可以在不中斷設備操作的情況下執行此過程，因為它們可以存儲兩個固件副本。在下載和實施更新時，設備可以繼續使用原始副本，然后在所有內容準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，這使得無法通過網狀網絡執行此類更新。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，可以實現更成熟，更可靠的產品。

我們提到能源效率是近年來取得最大進展的領域之一。對于照明和基于傳感器的應用，這些進步是無價的。連接的照明網絡的節點需要能夠在恒定的基礎上處理信息，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，即使關閉LED燈具，它們的無線電也會不斷開啟 - 因此功耗的優化有助于防止過多的能量消耗。多年來，芯片供應商開發了先進的電源和資源管理機制，以最大限度地提高能效和電池壽命。在最新的芯片中，外設具有獨立的自動時鐘和電源管理功能，因此在不需要任務操作時可以關閉它們。這樣可以將功耗降至最低。

SoC在智能照明應用中的應用

展望未來，我們能否期待SoC設計的任何驚人發展，為智能照明產品的開發者帶來新機遇？我們可以期待很快開始見證的趨勢是引入加密模塊，可以從根本上提高連接設備的安全性。除了加速加密操作外，它們還將充當網絡密鑰的高度安全存儲。這樣的加密單元可以執行所有必要的加密程序，并且作為這些過程的一部分創建的密鑰永遠不會泄漏到外部 - 即使芯片能夠使用它們來執行加密操作，它們也不會在SoC內部循環。在處理器方面，目前在現代SoC設計中越來越多地使用雙核CPU。這種趨勢可能會持續下去，但除此之外，我們不應期待未來幾年SoC技術的任何硬件革命。我們可以期待的是相對較小的漸進式改進。CPU將變得稍微快一點，內存資源將不斷增長，功耗將繼續降低，從而在基于傳感器的應用中實現更長的電池壽命。所有這些改進當然是受歡迎的，但這并不會推動商業空間中連接照明的廣泛采用。市場上有SoC可以處理最苛刻的軟件堆棧。硅技術已經成熟和先進，如今它們為我們提供了構建具有線狀可靠性和多種強大功能的智能照明網絡所需的所有工具。我們仍然缺乏完全可擴展且可全球互操作的低功耗無線通信技術。這是真正的革命尚未發生的地方，這是現在應該非常仔細地觀察的領域。

SoC在照明領域的未來

就連接技術而言，今年看起來特別有趣。Thread Group最近宣布推出第一批認證軟件堆棧，并最終推出了其產品認證計劃。我們很快就能夠驗證這種新協議在連接照明應用中的表現。本文發布之時，藍牙技術聯盟也將發布期待已久的藍牙網格規范。與應用層不可知的線程技術相反，藍牙涵蓋了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趨勢和客戶期望的新技術的到來，我們也可能看到傳統協議逐漸消失。即將到來的幾個月看起來非常有趣，因為我們可能最終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，智能照明技術將隨著時間的推移變得更加成熟和可靠。最終，業務將發展到硅供應商有理由開始為照明領域的客戶展開更激烈的競爭。這時我們可能會看到專用于連接照明應用的第一行SoC。同樣，我們不應期望這會引發任何革命，因為SoC-for-lighting設計很可能會專注于進一步優化。可能會增強關鍵組件（例如閃存資源），而可能會刪除冗余組件（例如多媒體或顯示器的接口）。開發將變得更加容易，成本將進一步下降。

結論

最后，在談到連接照明的硬件時，我們不應忘記軟件的關鍵作用。盡管我們需要SoC來處理構建專業智能照明系統所需的復雜軟件堆棧，但它是定義這些系統將做什么以及我們將如何使用它們的軟件。片上系統成為引入新功能和功能所需的另一個專用組件，但它們只是我們用來實現這些目標的手段。在公司，負責有關SoC設計實施的關鍵決策的人員通常更多地與軟件而不是硬件有關。隨著時間的推移，硅片可以根據軟件需求進行調整，而不是相反。