在902 MHz頻段內(nèi)使用能量收集無線技術(shù)

能量收集具有將物聯(lián)網(wǎng)（IoT）變?yōu)楝F(xiàn)實的一些關(guān)鍵優(yōu)勢。取消電源線和數(shù)據(jù)線的能力是一個開始，但消除電池（或大大延長電池壽命和更換之間的時間）允許無線傳感器節(jié)點放在許多新的地方。當(dāng)這些節(jié)點連接到中央網(wǎng)關(guān)然后連接到Internet時，連接的功能變得明顯。可以從世界上任何地方監(jiān)控設(shè)備。可以收集，分析來自各種機器的數(shù)據(jù)并用于預(yù)測。從節(jié)點到云一直使用IP數(shù)據(jù)包在系統(tǒng)架構(gòu)中提供了巨大的好處。

選擇這樣做的技術(shù)是實現(xiàn)依賴能量收集的系統(tǒng)的關(guān)鍵。 2.4 GHz的流行無線協(xié)議，如Wi-Fi和ZigBee，具有低成本和高度集成的收發(fā)器。然而，2.4 GHz頻段正在變滿，并且存在與雜亂頻帶相關(guān)的成本，特別是在功耗方面。因為頻帶擁擠而不得不重新發(fā)送數(shù)據(jù)包是一個主要的流失，而且不能用于能量收集系統(tǒng)。 2.4 GHz頻段也有更有限的范圍，并且在范圍（節(jié)點的輸出功率）和功耗之間存在基本權(quán)衡。對于給定范圍，使用較低頻帶可提供更大范圍或更低功率。這也是使用能量收集系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素。

EnOcean開發(fā)了一種無線協(xié)議，針對能量收集電源和低頻率頻段進行了優(yōu)化，具有低占空比和高效的錯誤處理方法，大部分少量能量。使用美國現(xiàn)有的902 MHz頻段在范圍和功耗方面具有一些顯著優(yōu)勢，并為使用能量收集源的系統(tǒng)開發(fā)提供了許多機會。

有幾個從環(huán)境中采集的能量為無線傳感器節(jié)點和執(zhí)行器供電的方法。太陽能是一個關(guān)鍵來源，無線節(jié)點可以從室內(nèi)照明獲得的能量有效地提供動力。使用來自溫度差異的熱能對于工業(yè)或加熱系統(tǒng)可以是有效的，同時還可以有效地收獲振動能量以為傳感器節(jié)點供電。甚至還有研究從我們周圍的射頻信號發(fā)電。這些新產(chǎn)品增加了有效的射頻范圍，提供了更強的抗干擾性，并簡化了產(chǎn)品開發(fā)工作，因為它們需要更短的天線長度。新模塊增加了現(xiàn)有的315 MHz Dolphin產(chǎn)品組合，包括自供電無線開關(guān)模塊（PTM 210U），STM300U太陽能無線傳感器模塊，以及用于控制器和網(wǎng)關(guān)的TCM 300U和TCM 320U收發(fā)器模塊。

圖1：STM300U太陽能無線收發(fā)模塊現(xiàn)在運行速度為902 MHz。

EnOcean已將902 MHz識別為能量收集無線技術(shù)的最佳額外免許可頻率。北美地區(qū)，因為它符合法律法規(guī)要求，以及未來幾年的預(yù)測趨勢。該頻段處于不太密集的1 GHz以下頻段，可為建筑，家庭和工業(yè)自動化中的眾多無電池?zé)o線應(yīng)用提供可靠的遠程無線通信。

902 MHz收發(fā)器實現(xiàn)了兩倍的范圍對于相同的能量預(yù)算，常見的2.4 GHz設(shè)備。與具有較小天線的315 MHz設(shè)備相比，這些模塊更小，更易于集成。他們還利用最新的芯片技術(shù)進一步降低功耗。共抑制器件（如鎮(zhèn)流器和LED驅(qū)動器）的干擾也在902 MHz時顯著降低。這使得這些模塊可用于智能家居解決方案的樓宇自動化，便攜式緊急按鈕等醫(yī)療保健產(chǎn)品，以及消費類電器或機器對機器通信。

新模塊系列保留了與EnOcean的315 MHz模塊相同的機械和電氣接口，這些模塊將繼續(xù)投入生產(chǎn)?，F(xiàn)有制造商可以以最少的開發(fā)工作量切換到902 MHz模塊，而無需更改產(chǎn)品設(shè)計。在大多數(shù)情況下，唯一的要求是天線適應(yīng)和EnOcean軟件設(shè)置的微小變化。新設(shè)計受益于902 MHz頻段的更高性能和簡單的設(shè)計過程。

軟件是設(shè)計的關(guān)鍵部分，并且有標準化的EnOcean設(shè)備配置文件（EEP），用于所有基于EnOcean的互操作性可用于Dolphin平臺的產(chǎn)品，支持ISO/IEC 14543-3-10國際標準，用于自供電應(yīng)用的能量采集無線無線電協(xié)議。

圖2：Dolphin軟件環(huán)境是開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)自供電節(jié)點的核心。

這使自供電無線交換機和傳感器，以及帶有接收器和收發(fā)器的全無線網(wǎng)絡(luò)可用于建筑，家庭和工業(yè)自動化。 PTM 210U是一款小型無電池開關(guān)模塊，可實現(xiàn)非常纖薄的壁掛式搖臂開關(guān)或遙控器。結(jié)合可編程雙向收發(fā)器模塊TCM 300U或TCM 320U，PTM 210U可以輕松集成到操作和控制單元中，以實現(xiàn)不同的應(yīng)用特定系統(tǒng)解決方案。雙向STM 300U能量采集無線傳感器模塊由太陽能電池供電，適用于雙向溫度傳感器，建筑物服務(wù)傳感器和創(chuàng)新執(zhí)行器。

Dolphin平臺的顯著特點是對能源需求的認識收割，可實現(xiàn)自供電無線傳感器和執(zhí)行器。 Dolphin系統(tǒng)架構(gòu)加入了在標準化無線網(wǎng)絡(luò)上運行的能源自主無線傳感器系統(tǒng)所需的組件。這些包括能量轉(zhuǎn)換和存儲組件，用于能源管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腅nOcean無線模塊，以及包括操作系統(tǒng)，API和應(yīng)用程序在內(nèi)的軟件模塊。

作為一個開放和可擴展的硬件和軟件架構(gòu)，它完全向后兼容已經(jīng)上市的EnOcean設(shè)備和系統(tǒng)組件。

Dolphin的硬件內(nèi)核是構(gòu)成模塊基礎(chǔ)的EO3000I芯片。這些已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛的固件功能，例如基本開關(guān)，調(diào)光和測量，無需額外編程即可直接進入應(yīng)用程序。其內(nèi)置的應(yīng)用程序功能可實現(xiàn)簡單的啟動和系統(tǒng)集成。使用Dolphin API庫，可以為模塊編寫自定義軟件，然后可以遠程編程到具有32 KB閃存和2 kB SRAM的16 MHz 8051 CPU。這些模塊包括各種低至0.2μA電流消耗的掉電和休眠模式，多達14個可配置I/O，10位ADC和8位DAC。

EDK350U等開發(fā)套件匯集了所有能量收集無線節(jié)點所需的元件，無論是傳感器還是執(zhí)行器。有太陽能到熱能的不同能源，以及溫度，濕度和接近度的不同傳感器，這些能量源與無線收發(fā)器相結(jié)合，實現(xiàn)了能量收集驅(qū)動的完整物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

圖3：用于能量收集無線網(wǎng)絡(luò)的EDK開發(fā)套件。

該套件為主機提供USB接口，可在Dolphin上進行開發(fā)，并提供即用型生產(chǎn)模塊，如單向和雙向串行通信，1通道中繼模式，4通道中繼模式和1通道調(diào)光模式

天線設(shè)計

無線電傳輸具有橢圓形狀，這決定了無線電范圍。在30米范圍內(nèi)，橢圓體的理論直徑在902 MHz時約為10米，因此天線安裝以及天花板，地板和墻壁的距離是覆蓋范圍的主要影響因素。外部天線通常比內(nèi)部天線具有更好的無線電性能，但增加了成本。房間內(nèi)的人和其他物體也可以減少無線電范圍。因此，應(yīng)將30 m范圍的通用規(guī)格視為上限，仔細規(guī)劃傳感器和執(zhí)行器節(jié)點的位置將提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。這有助于使用能量收集源，因為電源和訪問的限制大大減少，因此可以計劃網(wǎng)絡(luò)，更多地考慮連接的可靠性。

其他設(shè)備和傳感器可用于系統(tǒng)基于EnOcean技術(shù)。 ILLUMRA還提供一系列傳感器和執(zhí)行器，例如無線燈開關(guān)，可以使用EnOcean部件輕松集成到系統(tǒng)中。

圖4：即使是自供電的Illumra無線燈開關(guān)也可以物聯(lián)網(wǎng)。

結(jié)論

將傳感器和執(zhí)行器放置在任何需要的位置，為物聯(lián)網(wǎng)開辟了新的機遇。這種增強功能通過能量收集實現(xiàn)，以最大限度地減少對電池的影響，并且可以在美國驅(qū)動，模塊和收發(fā)器在未經(jīng)許可的902 MHz頻段運行，以提供更長的距離和更高的可靠性。