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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(gè)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(duì)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(dòng)化系統(tǒng)采用的一個(gè)主要原因。 當(dāng)今，M2M被認(rèn)為是一個(gè)面向未來、被寄予很高期望的增長市場。對(duì)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(tái)飆升到2020年的500億臺(tái)。部署這些數(shù)以百萬計(jì)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(gè)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(diǎn)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(hù)、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(dòng)能換能器利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(hào)。增加電容可以確保在采集的電能很少或沒采集到的時(shí)段仍有充足電能存儲(chǔ)來滿足這些時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(diǎn)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?yàn)闊o線信號(hào)的持續(xù)時(shí)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(dá)30米。 
圖1：樓宇自動(dòng)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?yàn)殡姵毓╇姷南到y(tǒng)涉及采購、安裝和更換電池等耗時(shí)的工作。眼下，能量收集無線技術(shù)非常完善，能夠?yàn)闃怯钭詣?dòng)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(jì)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(dòng)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(gè)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(gè)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(fù)擔(dān)。 HVAC控制就是這種靈活的自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)例證。在此，恒溫器、VAV(變風(fēng)量)或風(fēng)機(jī)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(shí)，控制器將狀態(tài)信息發(fā)送到中央樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，并從BAS系統(tǒng)接收控制消息。這使得從遠(yuǎn)離建筑物本身的中央位置對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控成為可能，同時(shí)能完成整個(gè)建設(shè)物范圍的控制；例如，放假時(shí)相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)閉。 借力能量收集技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品方面也取得巨大進(jìn)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(hù)。 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(jìn)而可以支持根據(jù)需要對(duì)HVAC進(jìn)行的調(diào)節(jié)，這可以通過使用臺(tái)式電腦、平板電腦或智能手機(jī)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(bào)警系統(tǒng)是第二個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，憑借其特殊性能，電池?zé)o線技術(shù)正在進(jìn)入報(bào)警監(jiān)控領(lǐng)域。報(bào)警應(yīng)用，對(duì)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(yán)重后果。事實(shí)是，電池故障導(dǎo)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(gè)問題。 來自各處，同入云“端” 通過網(wǎng)關(guān)，基于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)云服務(wù)。這里，由無電池?zé)o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(dòng)碼。基于滾動(dòng)碼和AES加密的數(shù)據(jù)包，生成一個(gè)不停變化的認(rèn)證碼，然后由接收系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。采用相同驗(yàn)證機(jī)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(jī)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(shí)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(huì)被自動(dòng)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(jià)不菲的現(xiàn)場服務(wù)中解放出來。 這種基于云計(jì)算的方案的主要優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行的設(shè)備調(diào)試是非常嫻熟地從客戶角度進(jìn)行的，并從云端發(fā)出。用戶享有不受限制地從臺(tái)式機(jī)或智能手機(jī)用自己的IP地址遠(yuǎn)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(dāng)今，對(duì)超低功耗無線應(yīng)用的需求以及在建立通信標(biāo)準(zhǔn)方面的進(jìn)步，給M2M供應(yīng)商提供了新的機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(yùn)輸方面的應(yīng)用，似乎也成為了一種水到渠成的過程。 |
