用于實(shí)現(xiàn)建筑自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備介紹

今天，大多數(shù)工程師花費(fèi)大量時(shí)間專注于生產(chǎn)節(jié)能產(chǎn)品。然而，在更大的方案中，即使在能源效率低下的家庭或辦公室中使用節(jié)能產(chǎn)品也不會(huì)對(duì)整體能耗產(chǎn)生太大影響。家庭和樓宇自動(dòng)化是適當(dāng)集成技術(shù)可以極大地影響總能量使用的地方。

直到最近，一個(gè)真正節(jié)能的家庭或建筑必須從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)，包括所有布線，有線傳感器和有線控制，以實(shí)現(xiàn)智能能源使用。這是多年來(lái)的絆腳石，因?yàn)樗恢С指脑焓袌?chǎng)。

這是低成本，可靠的無(wú)線技術(shù)發(fā)揮作用的地方。一些建筑自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)正在出現(xiàn)并競(jìng)爭(zhēng)接受，承諾節(jié)約能源，并改善我們的生活方式，舒適性，安全性和健康。無(wú)線家庭和樓宇自動(dòng)化是一個(gè)肯定會(huì)增長(zhǎng)的領(lǐng)域。

本文介紹了一些新興的無(wú)線家庭和樓宇自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)以及用于實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。

早期嘗試

家庭自動(dòng)化無(wú)線連接的首次嘗試來(lái)自BSR，后來(lái)成為X-10。這些模塊化模塊插入插座，允許遠(yuǎn)程控制和定時(shí)事件決定何時(shí)打開(kāi)或關(guān)閉某些東西，以及控制白熾燈泡調(diào)光的強(qiáng)度等級(jí)。

通過(guò)使用電源線作為信號(hào)介質(zhì)，X-10設(shè)備不需要任何新的通信線路，因此稱自己為無(wú)線。雖然按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)粗略，但這些設(shè)備有些有效，盡管當(dāng)控制器處于電力線的不同相位而不是受控設(shè)備時(shí)存在問(wèn)題。

另外兩個(gè)因素不允許X-10設(shè)備成為有效能源管理系統(tǒng)中的真正競(jìng)爭(zhēng)者。首先，通信速率慢（低于300波特），其次，通信只能從控制器發(fā)送到設(shè)備而不能回到控制器。這意味著控制系統(tǒng)在任何時(shí)候都缺乏關(guān)于系統(tǒng)真實(shí)狀態(tài)的任何知識(shí)。如果您不知道什么是開(kāi)啟和什么關(guān)閉，您如何進(jìn)行負(fù)載平衡，調(diào)度和峰值需求加載處理？

盡管如此，單向定時(shí)和順序事件可以為節(jié)省能源做很多事情。離開(kāi)家時(shí)只需一個(gè)按鈕即可確?？Х葔仃P(guān)閉，燈關(guān)閉，立體聲和電視關(guān)閉，一切都很安全。進(jìn)入時(shí)也是如此 - 單個(gè)開(kāi)關(guān)可以打開(kāi)所有燈以確保安全。

家庭自動(dòng)化的真正好處只有在智能建筑結(jié)構(gòu)中才能實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，嵌入式無(wú)線傳感器，執(zhí)行器，用戶界面，顯示器和處理器都需要以統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化的方式協(xié)同工作。和諧只發(fā)生在每個(gè)人都在調(diào)和的時(shí)候。這就是新興協(xié)議希望進(jìn)入的地方。

經(jīng)過(guò)這么多年后仍然在脈動(dòng)？電力線調(diào)制作為一種“無(wú)線”形式仍在使用，并且當(dāng)與RF技術(shù)相結(jié)合時(shí)，創(chuàng)造了一種低成本的改造解決方案。例如，INSTEON?模塊可與131.65 kHz調(diào)制電源線以及904 MHz RF配合使用，以創(chuàng)建雙頻網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌渲须娫淳€和RF相結(jié)合，可解決一些固有的X-10問(wèn)題。對(duì)于照明控制，設(shè)備控制，加熱和冷卻非常有用，節(jié)點(diǎn)可以是控制器，中繼器或終端設(shè)備，并且該設(shè)備向后兼容X-10。

其他像RFXCOM，WGL＆amp; Associates和Z-Wave仍然為混合混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮峁-10支持和支持。ZM310-CME1（見(jiàn)圖1）及其10個(gè)I/O，UART，SPI，Triac驅(qū)動(dòng)器和A/D輸入，可以很好地承擔(dān)許多電池供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行器智能家居和建筑物的控制器。

ZM310-CME1還支持Z-Wave的國(guó)際頻率標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲868.4 MHz，美國(guó)908.4 MHz和澳大利亞921.4 MHz頻段，使其可在整個(gè)國(guó)際市場(chǎng)上使用。

圖1：基于8051的ZM3102N Z-Wave模塊實(shí)現(xiàn)了Z-Wave協(xié)議，并為OEM家庭自動(dòng)化應(yīng)用提供閃存和用戶SRAM。 （由Sigma Designs，Inc。提供）

新的孩子們?cè)诮謪^(qū)

新一代RF無(wú)線協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)家庭和樓宇自動(dòng)化以及健身，健康，媒體控制，生活方式，和更多。通過(guò)嘗試將它們聯(lián)系在一起，希望有多個(gè)合作伙伴開(kāi)發(fā)可互操作的系統(tǒng)。

隨著半導(dǎo)體制造商和產(chǎn)品設(shè)計(jì)公司開(kāi)始接受它，一種開(kāi)始受到關(guān)注的協(xié)議是ANT +協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。

ANT和ANT +機(jī)芯始于專有無(wú)線傳感器機(jī)芯，旨在協(xié)調(diào)和收集運(yùn)動(dòng)器材，心率監(jiān)測(cè)器以及其他健康和保健應(yīng)用的數(shù)據(jù)。小而簡(jiǎn)單的堆棧大小，以及創(chuàng)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪芰?，?chuàng)建了一個(gè)開(kāi)發(fā)組織--ANT + Alliance，Garmin的間接子公司 - 指定數(shù)據(jù)通信和配置文件以實(shí)現(xiàn)互操作性。 ANT +可以使用其基本節(jié)點(diǎn)和集線器實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，星形，樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌▍⒁?jiàn)圖2）。

圖2：從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，ANT +協(xié)議實(shí)現(xiàn)了非常靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳渴?，包括在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)無(wú)法訪問(wèn)時(shí)提供備用路由的能力。 （由Dynastream Innovations，Inc。提供）

ANT +使用64位網(wǎng)絡(luò)安全密鑰為最多232地址提供支持。它支持單向和雙向通信，并且設(shè)計(jì)為在標(biāo)準(zhǔn)CR2032紐扣電池上運(yùn)行大約四年。

一個(gè)關(guān)鍵的好處是簡(jiǎn)化的OSI網(wǎng)絡(luò)模型，它允許更簡(jiǎn)單，代碼更少的軟件堆棧（參見(jiàn)圖3）。因此，剛剛開(kāi)發(fā)ANT +應(yīng)用程序的半導(dǎo)體供應(yīng)商很可能會(huì)免費(fèi)向使用其芯片的設(shè)計(jì)人員提供軟件IP。

圖3：ANT +協(xié)議的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型意味著可以使用代碼空間更少的較小MCU來(lái)降低成本，特別是對(duì)于小型，低功耗的傳感器和執(zhí)行器。 （由Dynastream Innovations，Inc。提供）

ANT + Alliance的300名成員包括幾家半導(dǎo)體設(shè)備制造商，他們開(kāi)始為希望將ANT +納入其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員提供直接的應(yīng)用支持。 ANT +非常適合許多家庭和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用，因?yàn)榍度朐诮Y(jié)構(gòu)中的簡(jiǎn)單傳感器可以是低功耗，小型，并且使用小型處理器而無(wú)需大量閃存或RAM。

松下ENW-89827A2JF是一個(gè)可集成模塊的示例，可以快速下載到您的應(yīng)用程序中（參見(jiàn)圖4）。作為該公司PAN1327系列的成員之一，2.4 GHz表面貼裝模塊的電壓范圍為1.7至4.8伏，并支持藍(lán)牙和ANT協(xié)議，同時(shí)支持高達(dá)4 Mbits/sec的數(shù)據(jù)速率。

Dynastream還提供帶有2.4 GHz ANTC782M5IB模塊的ANT +收發(fā)器，可提供高達(dá)1 Mbit/sec的可用數(shù)據(jù)速率。這些模塊基于TI的芯片，如CC2567，CC2570和CC2571 ANT RF網(wǎng)絡(luò)處理器。

圖4：Panasonic ENW-89827A2JF是該公司用于ANT +的PAN1327嵌入式RF模塊系列的一個(gè)示例。 （由松下提供）

大卡胡納斯

到目前為止，部署最廣泛的非Wi-Fi個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）設(shè)備是藍(lán)牙。然而，耳機(jī)現(xiàn)在推出了v4.0規(guī)范中最新的藍(lán)牙低功耗（LE）部分（參見(jiàn)Low-Energy Bluetooth Gets Personal）。因此，藍(lán)牙LE可能是家庭和樓宇自動(dòng)化的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者，特別是當(dāng)與手機(jī)配合使用時(shí)。

另一方面，許多半導(dǎo)體制造商都在關(guān)注ZigBee?的新興受歡迎程度。數(shù)十家半導(dǎo)體制造商提供針對(duì)ZigBee設(shè)計(jì)定制的芯片。

扮演類似于Wi-Fi聯(lián)盟的角色，ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)ZigBee兼容設(shè)備必須遵守的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。與其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)一樣，ZigBee在UHF ISM頻段運(yùn)行，提供高達(dá)250 Kbits/sec的可用數(shù)據(jù)速率。

協(xié)議的靈活架構(gòu)允許它以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，星形，樹(shù)形和網(wǎng)狀配置運(yùn)行，要求每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)協(xié)調(diào)器控制器。

靈活的路由，處理復(fù)雜和潛在巨大網(wǎng)絡(luò)的能力，以及大量可用設(shè)備都是ZigBee的優(yōu)勢(shì)。不幸的是，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)堆棧是粘貼到MCU中的大量代碼。因此，嵌入式ZigBee應(yīng)用可能需要按比例縮小的配置文件或更大的MCU（參見(jiàn)圖6）。

圖6：ZigBee提供了很多靈活性和互操作性，但使用了更大，更復(fù)雜的堆棧，必須存在于本地MCU的代碼區(qū)域內(nèi)。 （由ZigBee聯(lián)盟提供）

幸運(yùn)的是，只要您使用他們的芯片，大多數(shù)半導(dǎo)體制造商都會(huì)提供免版稅或免許可證的堆棧代碼。

例如，Microchip MRF24J40是一款單芯片802.15.4 2.4 GHz收發(fā)器，具有集成的MAC/PHY功能，可通過(guò)其SPI接口充當(dāng)RF外設(shè)。與其他功率優(yōu)化器件一樣，MRF24J40使用20 MHz晶振進(jìn)行操作，32.768 kHz晶振用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘和低功耗睡眠模式。與其他芯片制造商一樣，Microchip為ZigBee提供免費(fèi)下載的堆棧，以及Microchip專有的MiWi和MiWi P2P協(xié)議棧。

Atmel還通過(guò)其RF微型和RF收發(fā)器（如AT86RF231-ZU單芯片2.4 GHz收發(fā)器）為ZigBee提供支持，該收發(fā)器也使用SPI作為外部MCU接口。除ZigBee外，AT86RF231還支持RF4CE（ZigBee的遠(yuǎn)程控制子集），WirelessHART（工業(yè)自動(dòng)化協(xié)議），6LoWPAN（無(wú)線格式的IP V6），以及支持專有的無(wú)線ISM頻段開(kāi)發(fā)。來(lái)自Atmel的A發(fā)布在Digi-Key網(wǎng)站上，該網(wǎng)站突出了Atmel的RF解決方案。

恩智浦也是ZigBee領(lǐng)域的一員，在單芯片中采用JN5148-001-X MCU和收發(fā)器。低功耗片上32位RISC控制器與片上802.15.4 RF部分和各種外設(shè)緊密配合，為ZigBee和其他2.4 GHz無(wú)線鏈路提供單芯片RF解決方案。

JN5148的一個(gè)有趣特性是，該芯片不僅可以使用32.768 kHz晶振進(jìn)行低功耗操作，而且可以在低至4 kHz的電流下工作，當(dāng)不需要RTC精度時(shí)，可以進(jìn)一步降低功耗。外部中斷可用于事件檢測(cè)，保持功率盡可能低，直到微控制器需要喚醒。協(xié)議棧庫(kù)也可用于加速開(kāi)發(fā)。

圖7：恩智浦RF收發(fā)器具有豐富的外設(shè)，以及802.15.4收發(fā)器和32位RISC控制器。 （由NXP Semiconductors提供）

其他肯定會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題這里提到的協(xié)議是迄今為止自動(dòng)化和能源管理中最常被討論和支持的協(xié)議，但這些協(xié)議絕不是唯一的選擇。其他人肯定會(huì)出現(xiàn)，而其他現(xiàn)有無(wú)線協(xié)議（如Wi-Fi）的使用甚至可能會(huì)蓬勃發(fā)展。

Wi-Fi可能不是最具成本效益的解決方案，從性能的角度來(lái)看，從低功耗睡眠狀態(tài)喚醒時(shí)可能需要更多的設(shè)置時(shí)間，但是有些人可能會(huì)覺(jué)得需要在現(xiàn)有的情況下工作Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。無(wú)論哪種方式，依靠半導(dǎo)體制造商提供最新的可互操作解決方案，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工程師所需的學(xué)習(xí)曲線和工具。這也簡(jiǎn)化了未來(lái)的合規(guī)性，特別是隨著規(guī)范的發(fā)展。一個(gè)典型的例子是新的ZigBee Smart Energy V2.0規(guī)范，該規(guī)范定義了一種基于IP的協(xié)議，旨在實(shí)現(xiàn)能量傳輸，使用和監(jiān)控。隨著芯片的推出，它為新協(xié)議提供了芯片級(jí)支持，工程師應(yīng)該發(fā)現(xiàn)它可以直接利用新功能。

這引出了另一個(gè)有趣的觀點(diǎn)。您無(wú)需為任何這些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施整個(gè)協(xié)議。如果您愿意，可以創(chuàng)建自己的高級(jí)協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些協(xié)議和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)基本傳輸層。這是縮小其他完整網(wǎng)絡(luò)模型以使其更適合嵌入式應(yīng)用程序的一種方法。

在不利方面，這樣做可能會(huì)阻止您的設(shè)備與其他符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通信。如果互操作性很重要，那么實(shí)現(xiàn)完整堆棧就是最佳選擇。