M2M成功秘诀：能量收集无线技术

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作者： Frank Schmidt，EnOcean GmbH公司首席技术官

几年前，M2M通信还是个需要复杂组网技术的昂贵的小利基应用。但随着技术的发展及灵活的云服务能力，通过使用无线模块使得基础设施和产品两者都能以极具成本效益的方式向M2M提供大量信息成为可能。

这些器件相互连接的越紧密，对技术灵活性的要求就更高。这是能量收集无线技术越来越多地被M2M设备、产品和楼宇自动化系统采用的一个主要原因。

当今，M2M被认为是一个面向未来、被寄予很高期望的增长市场。对该市场的增长预期是：连接到互联网的M2M设备，将从2017年的超过3亿台飙升到2020年的500亿台。部署这些数以百万计的分布式设备带来挑战：如何给其供电？它们间如何通信？一个解决办法是能量收集无线技术。

无线传感器和中继接收器支持智能节点的简易部署，但无线设备需要电能——过去，这意味着需要排布很多电线或安装及更换电池。由能量采集供电的设备不需维护、去掉了电池或其它外部能量源，从而为能够简单地安装数百万互连和联网的设备铺平了道路。

取自周围环境的能量

基于能量采集原理，无线模块从周围环境获取能量，因此，其工作不需要电池。在能量采集过程中，电能/动能换能器利用机械运动收集能量或利用小型的光伏电池组件采集光发出的能量。整合热/电转换器和DC/DC转换器的能量采集技术可将热能转换为电能。采集的这些少量电能足以发送无线信号。增加电容可以确保在采集的电能很少或没采集到的时段仍有充足电能存储来满足这些时段的要求。

为获得最佳的射频（RF）效率，其使用的无线协议已标准化为ISO/IEC 14543-3-10，它使用1GHz以下频带。这使其免受其它射频发射器的干扰，同时还具有快速的系统响应并规避了数据冲突。此外，在相同能量预算下，1GHz以下频带的传送距离是2.4GHz频段的两倍，且在建筑物内具有更好的穿透性。

参考来看，在2.4GHz系统上复制能量收集无线系统来覆盖同一区域，所需的接收节点数是1GHz以下频带的四倍。例如，与1GHz以下方案比，2.4GHz系统增加了成本。射频可靠性是有保证的，因为无线信号的持续时间只有0.7毫秒，而且出于冗余考虑，它是多次发送的。在开放空间，能量收集无线传感器的传输范围约300米；在建筑物内，可达30米。

2013-11-25 10:57:02 上传
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图1：楼宇自动化可视为M2M的一种典型应用

在诸如无线传感器网络等低功耗电子系统中，作为取代电池的一种技术，能源收集设备拥有吸引力，因为电池供电的系统涉及采购、安装和更换电池等耗时的工作。眼下，能量收集无线技术非常完善，能够为楼宇自动化领域提供M2M解决方案，将光控制、HVAC和建筑领域的其它技术带入智能家居、智能计量和能源管理系统中。

无线和无电池技术几乎不用改动现有系统就能显著简化建筑物的能源监控和控制。无线设备的安装方式很灵活，所以，单个组件、墙壁开关、传感器和中继接收器可以方便地联网以形成一个智能系统，而且无需复杂的布线安装。此外，它还去掉了电池，就没有了需要定期(可短到一年一次)更换电池的负担。

HVAC控制就是这种灵活的自动化系统的一个例证。在此，恒温器、VAV(变风量)或风机盘管控制器接收来自于相应无电池传感器的占用、温度、湿度、窗户位置或CO2等信息，并控制散热器内的阀门执行器的开/关、或VAV系统的节气阀。同时，控制器将状态信息发送到中央楼宇自动化系统，并从BAS系统接收控制消息。这使得从远离建筑物本身的中央位置对其进行监控成为可能，同时能完成整个建设物范围的控制；例如，放假时相关系统的关闭。

借力能量收集技术的进步，产品方面也取得巨大进展：例如，Kieback&Peter生产的革命性的自供电散热器阀门，利用热水和周围空气的温差来产生电能。该电能既用在与控制器或BAS系统的通信供电，又用于开/闭阀门本身。无需电缆或电池，这些无线设备特别易于安装，且不用维护。

在深入优化的系统中，诸如锅炉或空气处理单元等中央设备被集成到这种无线通信系统，进而可以支持根据需要对HVAC进行的调节，这可以通过使用台式电脑、平板电脑或智能手机通过互联网控制，这使得这些调节变得可见和可控。

安全监控，规避了电池故障

水检测器等报警系统是第二个应用领域，凭借其特殊性能，电池无线技术正在进入报警监控领域。报警应用，对可靠性的要求比照明控制苛刻得多。被检测系统的失职不仅意味着故障，还可能引发依赖该系统的其它系统更严重后果。事实是，电池故障导致的问题比电子部分引发的问题多，尤其是在大型系统中。能量收集则克服了这个问题。

来自各处，同入云“端”

通过网关，基于标准的能量采集技术还可与以太网、WiFi、GSM/UMTS/CDMA及其它网络相互通信，以整合进云服务。这里，由无电池无线传感器收集的所有数据被加密并通过互联网发送至云端。数据包由带128位密钥的AES算法加密。

此外，每条信息带有自己的滚动码。基于滚动码和AES加密的数据包，生成一个不停变化的认证码，然后由接收系统进行验证。采用相同验证机制的还包括通过无线钥匙开/关车门。若有更高的数据安全要求，也可集成专用加密机制。

通过TCP/IP连接控制和可视化软件的网关，可用于控制所有中继接收器和传感器，并提供双向能源管理。因此，后勤经理、业主和企业可在任何时候、任何地方通过云端监视库存、设备、资产和能源等重要信息。与建筑物相关的关键数据会被自动推送到云服务，这能将所有者和管理者从极具挑战性的协调和代价不菲的现场服务中解放出来。

这种基于云计算的方案的主要优点之一是：到手的管理系统是由制造商完全预先定制的；正在进行的设备调试是非常娴熟地从客户角度进行的，并从云端发出。用户享有不受限制地从台式机或智能手机用自己的IP地址远程访问其专用虚拟服务器的能力。

能量收集的大好前景

当今，对超低功耗无线应用的需求以及在建立通信标准方面的进步，给M2M供应商提供了新的机遇来创新和开发其产品和设备。已被接受的国际标准正在加速能量优化无线传感器和无线传感器网络的开发和实施，两者都与M2M的环境相关。

除了已经打入家庭和建筑领域，在智能家居、智能电表和智能电网领域及工业、物流和运输方面的应用，似乎也成为了一种水到渠成的过程。