基于能量收集無線技術來解決M2M通信面對的難題 - 全文

幾年前，M2M 通信還是個需要復雜組網技術的昂貴的小利基應用。但隨著技術的發展及靈活的云服務能力，通過使用無線模塊使得基礎設施和產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，對技術靈活性的要求就更高。這是能量收集無線技術越來越多地被M2M設備、產品和樓宇自動化系統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。對該市場的增長預期是：連接到互聯網的M2M設備，將從2017年的超過3億臺飆升到2020年的500億臺。部署這些數以百萬計的分布式設備帶來挑戰：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。

無線傳感器和中繼接收器支持智能節點的簡易部署，但無線設備需要電能——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百萬互連和聯網的設備鋪平了道路。

取自周圍環境的能量

基于能量采集原理，無線模塊從周圍環境獲取能量，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出的能量。整合熱/電轉換器和DC/DC轉換器的能量采集技術可將熱能轉換為電能。采集的這些少量電能足以發送無線信號。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射器的干擾，同時還具有快速的系統響應并規避了數據沖突。此外，在相同能量預算下，1GHz以下頻帶的傳送距離是2.4GHz頻段的兩倍，且在建筑物內具有更好的穿透性。

參考來看，在2.4GHz系統上復制能量收集無線系統來覆蓋同一區域，所需的接收節點數是1GHz以下頻帶的四倍。例如，與1GHz以下方案比，2.4GHz系統增加了成本。射頻可靠性是有保證的，因為無線信號的持續時間只有0.7毫秒，而且出于冗余考慮，它是多次發送的。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，可達30米。

基于能量收集無線技術來解決M2M通信面對的難題

圖1：樓宇自動化可視為M2M的一種典型應用

在諸如無線傳感器網絡等低功耗電子系統中，作為取代電池的一種技術，能源收集設備擁有吸引力，因為電池供電的系統涉及采購、安裝和更換電池等耗時的工作。眼下，能量收集無線技術非常完善，能夠為樓宇自動化領域提供M2M解決方案，將光控制、HVAC和建筑領域的其它技術帶入智能家居、智能計量和能源管理系統中。
無線和無電池技術幾乎不用改動現有系統就能顯著簡化建筑物的能源監控和控制。無線設備的安裝方式很靈活，所以，單個組件、墻壁開關、傳感器和中繼接收器可以方便地聯網以形成一個智能系統，而且無需復雜的布線安裝。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，并控制散熱器內的閥門執行器的開/關、或VAV系統的節氣閥。同時，控制器將狀態信息發送到中央樓宇自動化系統，并從BAS系統接收控制消息。這使得從遠離建筑物本身的中央位置對其進行監控成為可能，同時能完成整個建設物范圍的控制；例如，放假時相關系統的關閉。

借力能量收集技術的進步，產品方面也取得巨大進展：例如，Kieback&Peter生產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生電能。該電能既用在與控制器或BAS系統的通信供電，又用于開/閉閥門本身。無需電纜或電池，這些無線設備特別易于安裝，且不用維護。

在深入優化的系統中，諸如鍋爐或空氣處理單元等中央設備被集成到這種無線通信系統，進而可以支持根據需要對HVAC進行的調節，這可以通過使用臺式電腦、平板電腦或智能手機通過互聯網控制，這使得這些調節變得可見和可控。

安全監控，規避了電池故障

水檢測器等報警系統是第二個應用領域，憑借其特殊性能，電池無線技術正在進入報警監控領域。報警應用，對可靠性的要求比照明控制苛刻得多。被檢測系統的失職不僅意味著故障，還可能引發依賴該系統的其它系統更嚴重后果。事實是，電池故障導致的問題比電子部分引發的問題多，尤其是在大型系統中。能量收集則克服了這個問題。

來自各處，同入云“端”

通過網關，基于標準的能量采集技術還可與以太網、WiFi、GSM/UMTS/CDMA及其它網絡相互通信，以整合進云服務。這里，由無電池無線傳感器收集的所有數據被加密并通過互聯網發送至云端。數據包由帶128位密鑰的AES算法加密。

此外，每條信息帶有自己的滾動碼。基于滾動碼和AES加密的數據包，生成一個不停變化的認證碼，然后由接收系統進行驗證。采用相同驗證機制的還包括通過無線鑰匙開/關車門。若有更高的數據安全要求，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關，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，后勤經理、業主和企業可在任何時候、任何地方通過云端監視庫存、設備、資產和能源等重要信息。與建筑物相關的關鍵數據會被自動推送到云服務，這能將所有者和管理者從極具挑戰性的協調和代價不菲的現場服務中解放出來。

這種基于云計算的方案的主要優點之一是：到手的管理系統是由制造商完全預先定制的；正在進行的設備調試是非常嫻熟地從客戶角度進行的，并從云端發出。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器的能力。