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作者： Frank Schmidt，EnOcean GmbH公司首席技術(shù)官 幾年前，M2M通信還是個需要復(fù)雜組網(wǎng)技術(shù)的昂貴的小利基應(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展及靈活的云服務(wù)能力，通過使用無線模塊使得基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)品兩者都能以極具成本效益的方式向M2M提供大量信息成為可能。 這些器件相互連接的越緊密，對技術(shù)靈活性的要求就更高。這是能量收集無線技術(shù)越來越多地被M2M設(shè)備、產(chǎn)品和樓宇自動化系統(tǒng)采用的一個主要原因。 當今，M2M被認為是一個面向未來、被寄予很高期望的增長市場。對該市場的增長預(yù)期是：連接到互聯(lián)網(wǎng)的M2M設(shè)備，將從2017年的超過3億臺飆升到2020年的500億臺。部署這些數(shù)以百萬計的分布式設(shè)備帶來挑戰(zhàn)：如何給其供電？它們間如何通信？一個解決辦法是能量收集無線技術(shù)。 無線傳感器和中繼接收器支持智能節(jié)點的簡易部署，但無線設(shè)備需要電能——過去，這意味著需要排布很多電線或安裝及更換電池。由能量采集供電的設(shè)備不需維護、去掉了電池或其它外部能量源，從而為能夠簡單地安裝數(shù)百萬互連和聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備鋪平了道路。 取自周圍環(huán)境的能量 基于能量采集原理，無線模塊從周圍環(huán)境獲取能量，因此，其工作不需要電池。在能量采集過程中，電能/動能換能器利用機械運動收集能量或利用小型的光伏電池組件采集光發(fā)出的能量。整合熱/電轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器的能量采集技術(shù)可將熱能轉(zhuǎn)換為電能。采集的這些少量電能足以發(fā)送無線信號。增加電容可以確保在采集的電能很少或沒采集到的時段仍有充足電能存儲來滿足這些時段的要求。 為獲得最佳的射頻（RF）效率，其使用的無線協(xié)議已標準化為ISO/IEC 14543-3-10，它使用1GHz以下頻帶。這使其免受其它射頻發(fā)射器的干擾，同時還具有快速的系統(tǒng)響應(yīng)并規(guī)避了數(shù)據(jù)沖突。此外，在相同能量預(yù)算下，1GHz以下頻帶的傳送距離是2.4GHz頻段的兩倍，且在建筑物內(nèi)具有更好的穿透性。 參考來看，在2.4GHz系統(tǒng)上復(fù)制能量收集無線系統(tǒng)來覆蓋同一區(qū)域，所需的接收節(jié)點數(shù)是1GHz以下頻帶的四倍。例如，與1GHz以下方案比，2.4GHz系統(tǒng)增加了成本。射頻可靠性是有保證的，因為無線信號的持續(xù)時間只有0.7毫秒，而且出于冗余考慮，它是多次發(fā)送的。在開放空間，能量收集無線傳感器的傳輸范圍約300米；在建筑物內(nèi)，可達30米。 
圖1：樓宇自動化可視為M2M的一種典型應(yīng)用 在諸如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低功耗電子系統(tǒng)中，作為取代電池的一種技術(shù)，能源收集設(shè)備擁有吸引力，因為電池供電的系統(tǒng)涉及采購、安裝和更換電池等耗時的工作。眼下，能量收集無線技術(shù)非常完善，能夠為樓宇自動化領(lǐng)域提供M2M解決方案，將光控制、HVAC和建筑領(lǐng)域的其它技術(shù)帶入智能家居、智能計量和能源管理系統(tǒng)中。 無線和無電池技術(shù)幾乎不用改動現(xiàn)有系統(tǒng)就能顯著簡化建筑物的能源監(jiān)控和控制。無線設(shè)備的安裝方式很靈活，所以，單個組件、墻壁開關(guān)、傳感器和中繼接收器可以方便地聯(lián)網(wǎng)以形成一個智能系統(tǒng)，而且無需復(fù)雜的布線安裝。此外，它還去掉了電池，就沒有了需要定期(可短到一年一次)更換電池的負擔。 HVAC控制就是這種靈活的自動化系統(tǒng)的一個例證。在此，恒溫器、VAV(變風量)或風機盤管控制器接收來自于相應(yīng)無電池傳感器的占用、溫度、濕度、窗戶位置或CO2等信息，并控制散熱器內(nèi)的閥門執(zhí)行器的開/關(guān)、或VAV系統(tǒng)的節(jié)氣閥。同時，控制器將狀態(tài)信息發(fā)送到中央樓宇自動化系統(tǒng)，并從BAS系統(tǒng)接收控制消息。這使得從遠離建筑物本身的中央位置對其進行監(jiān)控成為可能，同時能完成整個建設(shè)物范圍的控制；例如，放假時相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)閉。 借力能量收集技術(shù)的進步，產(chǎn)品方面也取得巨大進展：例如，Kieback&Peter生產(chǎn)的革命性的自供電散熱器閥門，利用熱水和周圍空氣的溫差來產(chǎn)生電能。該電能既用在與控制器或BAS系統(tǒng)的通信供電，又用于開/閉閥門本身。無需電纜或電池，這些無線設(shè)備特別易于安裝，且不用維護。 在深入優(yōu)化的系統(tǒng)中，諸如鍋爐或空氣處理單元等中央設(shè)備被集成到這種無線通信系統(tǒng)，進而可以支持根據(jù)需要對HVAC進行的調(diào)節(jié)，這可以通過使用臺式電腦、平板電腦或智能手機通過互聯(lián)網(wǎng)控制，這使得這些調(diào)節(jié)變得可見和可控。 安全監(jiān)控，規(guī)避了電池故障 水檢測器等報警系統(tǒng)是第二個應(yīng)用領(lǐng)域，憑借其特殊性能，電池無線技術(shù)正在進入報警監(jiān)控領(lǐng)域。報警應(yīng)用，對可靠性的要求比照明控制苛刻得多。被檢測系統(tǒng)的失職不僅意味著故障，還可能引發(fā)依賴該系統(tǒng)的其它系統(tǒng)更嚴重后果。事實是，電池故障導致的問題比電子部分引發(fā)的問題多，尤其是在大型系統(tǒng)中。能量收集則克服了這個問題。 來自各處，同入云“端” 通過網(wǎng)關(guān)，基于標準的能量采集技術(shù)還可與以太網(wǎng)、WiFi、GSM/UMTS/CDMA及其它網(wǎng)絡(luò)相互通信，以整合進云服務(wù)。這里，由無電池無線傳感器收集的所有數(shù)據(jù)被加密并通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至云端。數(shù)據(jù)包由帶128位密鑰的AES算法加密。 此外，每條信息帶有自己的滾動碼�；跐L動碼和AES加密的數(shù)據(jù)包，生成一個不停變化的認證碼，然后由接收系統(tǒng)進行驗證。采用相同驗證機制的還包括通過無線鑰匙開/關(guān)車門。若有更高的數(shù)據(jù)安全要求，也可集成專用加密機制。 通過TCP/IP連接控制和可視化軟件的網(wǎng)關(guān)，可用于控制所有中繼接收器和傳感器，并提供雙向能源管理。因此，后勤經(jīng)理、業(yè)主和企業(yè)可在任何時候、任何地方通過云端監(jiān)視庫存、設(shè)備、資產(chǎn)和能源等重要信息。與建筑物相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)會被自動推送到云服務(wù)，這能將所有者和管理者從極具挑戰(zhàn)性的協(xié)調(diào)和代價不菲的現(xiàn)場服務(wù)中解放出來。 這種基于云計算的方案的主要優(yōu)點之一是：到手的管理系統(tǒng)是由制造商完全預(yù)先定制的；正在進行的設(shè)備調(diào)試是非常嫻熟地從客戶角度進行的，并從云端發(fā)出。用戶享有不受限制地從臺式機或智能手機用自己的IP地址遠程訪問其專用虛擬服務(wù)器的能力。 能量收集的大好前景 當今，對超低功耗無線應(yīng)用的需求以及在建立通信標準方面的進步，給M2M供應(yīng)商提供了新的機遇來創(chuàng)新和開發(fā)其產(chǎn)品和設(shè)備。已被接受的國際標準正在加速能量優(yōu)化無線傳感器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和實施，兩者都與M2M的環(huán)境相關(guān)。 除了已經(jīng)打入家庭和建筑領(lǐng)域，在智能家居、智能電表和智能電網(wǎng)領(lǐng)域及工業(yè)、物流和運輸方面的應(yīng)用，似乎也成為了一種水到渠成的過程。 |
