EnOcean技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望

崔凱　宋文飛　陳蔚　文明艷　曾湘湘　張俊

摘要：EnOcean技術(shù)是一種新型無(wú)線通信技術(shù)，具有能量采集、超低功耗模塊組與高質(zhì)量通信的優(yōu)點(diǎn)。本文主要闡述了EnOcean技術(shù)的系統(tǒng)原理和發(fā)展歷史，并介紹了EnOcean技術(shù)的通信原理與主要特點(diǎn)，最后分析了EnOcean技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：EnOcean技術(shù);無(wú)線通信;能量采集;低功耗

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0040-03

1 概要

EnOcean技術(shù)是近年來(lái)新興的無(wú)線通信技術(shù)，由于其特有的能量采集功能，提出了無(wú)線無(wú)源的綠色解決方案，被應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居及樓宇自動(dòng)化的管理。

EnOcean系統(tǒng)由無(wú)線傳感器模塊和無(wú)線系統(tǒng)模塊組成?；凇坝行У卣侠铆h(huán)境中被忽略的微量能源”的理念，無(wú)線傳感模塊中的能量變換器將收集的能源轉(zhuǎn)換成電能，經(jīng)過(guò)能量管理模塊將電能分配到網(wǎng)絡(luò)傳感器上的射頻收發(fā)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器等各部件;無(wú)線收發(fā)器接收到信號(hào)后，通過(guò)微控制器轉(zhuǎn)換并發(fā)送控制信號(hào)，系統(tǒng)執(zhí)行器也可直接向微控制器發(fā)送命令[1]，如圖1所示。

2 EnOcean技術(shù)的發(fā)展歷史

EnOcean技術(shù)作為基于能量采集的超低功率短距離無(wú)線通信技術(shù)，是由德國(guó)易能森公司開(kāi)創(chuàng)并推廣的[2]。1995年，西門(mén)子能量收集技術(shù)部門(mén)開(kāi)始進(jìn)行能量收集裝置的開(kāi)發(fā)工作，并于1997年獲得第一個(gè)能量收集傳感器專(zhuān)利。2001年，西門(mén)子公司的無(wú)線無(wú)源研究部門(mén)單獨(dú)成立為EnOcean GmbH公司，致力于研究用于建筑設(shè)施的免維護(hù)無(wú)線傳感技術(shù)。2008年，由全球領(lǐng)先的建筑業(yè)知名企業(yè)共同組建的EnOcean Alliance成立，旨在實(shí)現(xiàn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與國(guó)際化，推動(dòng)無(wú)源無(wú)線智能樓宇控制系統(tǒng)與智能家居系統(tǒng)的發(fā)展。2012年3月，EnOcean無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“ISO/IEC 14543-3-10”，成為目前世界唯一使用能量采集技術(shù)的無(wú)線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，如圖2，其規(guī)定了協(xié)議棧中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層，而應(yīng)用層由EnOcean Alliance根據(jù)EEP（EnOcean設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)文件）保證產(chǎn)品開(kāi)放與兼容性[2]。

EnOcean技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展起步較晚，且非常緩慢。自2012年以來(lái)，只有同方泰德、南京天溯、寧波杜亞等少數(shù)公司在研發(fā)和生產(chǎn)基于EnOcean技術(shù)的智能建筑和智能家居系統(tǒng)。但伴隨著嵌入式與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入，EnOcean技術(shù)在中國(guó)未來(lái)的智能家居行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

3 EnOcean技術(shù)的通信原理

EnOcean的通信方式主要分為串口傳輸和無(wú)線傳輸，如圖3。串口傳輸是由主機(jī)和EnOcean RF模塊通過(guò)連接相應(yīng)的物理接口，以三線連接RX，TX和GND的方式傳送報(bào)文。無(wú)線傳輸是EnOcean RF射頻模塊與模塊間的無(wú)線傳輸[3]。RF射頻模塊的選擇頻率為：315MHZ、868.3MHZ及902.875MHZ。在ERP2協(xié)議中采用FSK調(diào)制，而ERP1協(xié)議為ASK調(diào)制。

EnOcean通信報(bào)文是實(shí)現(xiàn)通信的基本單元，由不同的數(shù)據(jù)構(gòu)成。如圖4，1Byte的EnOcean通信報(bào)文的數(shù)據(jù)框架占8位，不包含校驗(yàn)位，由Start Bit（logical0）開(kāi)始至Stop Bit（logical1）結(jié)束，以logical1代表串口空閑[3]。

為實(shí)現(xiàn)雙向通信的串口與無(wú)線傳輸報(bào)文，采用自上而下的通信協(xié)議[3]。數(shù)據(jù)包需要包含設(shè)備信息、命令、事件或者響應(yīng)消息，即由同步字節(jié)、頭文件、CRC8H校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)、選擇數(shù)據(jù)和CRC8D校驗(yàn)碼組成，如表1所示。在EnOcean通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包中，有一特定的字節(jié)數(shù)據(jù)指明數(shù)據(jù)包類(lèi)型。當(dāng)主機(jī)或者模塊收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)包類(lèi)型，作出相應(yīng)的通信響應(yīng)。

通信響應(yīng)包含三種類(lèi)型：廣播響應(yīng)、請(qǐng)求響應(yīng)及事件響應(yīng)，如圖5。當(dāng)主機(jī)向模塊發(fā)送RADIO、RADIO_SUB_TEL或REMOTE_ MAN_COMMAND類(lèi)型的數(shù)據(jù)包后，將處在等待狀態(tài)，直到主機(jī)接收到EnOcean模塊的響應(yīng)信息才繼續(xù)運(yùn)行程序，此過(guò)程成為廣播響應(yīng)。而請(qǐng)求響應(yīng)和事件響應(yīng)是單向的，請(qǐng)求響應(yīng)只能是主機(jī)向模塊發(fā)送REQUEST指令，模塊在接收后必須反饋RESPONESE數(shù)據(jù)包;事件響應(yīng)只能是模塊向主機(jī)發(fā)送EVENT數(shù)據(jù)包，主機(jī)在接收后可以反饋RESPONESE數(shù)據(jù)包。

4 EnOcean技術(shù)的特點(diǎn)

EnOcean技術(shù)一方面基于能量收集的理念，通過(guò)將生活環(huán)境中的微量能源收集起來(lái)，然后進(jìn)行能量的存儲(chǔ)與管理，使獲得的電力被分配到系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)傳感器，為設(shè)備提供通信能量。另一方面，結(jié)合超低功耗信號(hào)收發(fā)、微型能量轉(zhuǎn)換器與可靠的無(wú)線通信技術(shù)，有效降低電能消耗。具體表現(xiàn)為以下三大特點(diǎn)[4]：

4.1 能量收集與轉(zhuǎn)換技術(shù)

如圖6所示，電源模塊通過(guò)能量采集單元收集所處區(qū)域的能源，例如機(jī)械能、熱能、太陽(yáng)能及射頻能等。再對(duì)吸收的能量進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成電能傳輸?shù)侥芰看鎯?chǔ)與管理模塊，基于快速充放電與能量持續(xù)供給的特點(diǎn)，可將電能自動(dòng)配合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，確保無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能量供給，使得通信系統(tǒng)達(dá)到無(wú)電池、無(wú)數(shù)據(jù)線、無(wú)電源線的目的。

4.2 超低功耗的模塊組

EnOcean技術(shù)不僅采用低功耗的集成電路將傳感器的功耗降低到mW內(nèi)，而且有效路由首先經(jīng)能量控制器，再進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，或者將節(jié)點(diǎn)設(shè)定為休眠狀態(tài)，通過(guò)傳感信號(hào)激活節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，以降低電能的消耗。與目前的無(wú)線通信技術(shù)相比，如表2所示，該技術(shù)的功耗最低，例如無(wú)線通信所耗電量是ZigBee技術(shù)的1/100～1/30，并且可以組網(wǎng)與支持中繼功能[5]。

4.3 高質(zhì)量的無(wú)線通信

EnOcean無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)“ISO/IEC14543-3-10”使用315MHZ、868MHZ和902MHZ頻段，數(shù)據(jù)傳輸距離室內(nèi)為30m，室外為300m[6]。系統(tǒng)以采集的能量驅(qū)動(dòng)低功耗芯片組，通過(guò)加密操作與反復(fù)發(fā)送信號(hào)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性與安全性的，傳輸范圍最大，同時(shí)抗干擾能力最強(qiáng)。

5 EnOcean技術(shù)的未來(lái)展望

目前，全球的經(jīng)濟(jì)與資源形勢(shì)并不樂(lè)觀，新建建筑的數(shù)量可能在不斷減少，但是對(duì)于樓宇改造的熱度始終未減，很多公司在進(jìn)行相關(guān)綠色低碳產(chǎn)品的研發(fā)，無(wú)線集成方案因維修簡(jiǎn)單、耗能低的特性，必然成為首要選擇。因此，EnOcean將在未來(lái)無(wú)線智能家居系統(tǒng)中占有重要地位[7]。

基于節(jié)能的需要與EnOcean技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)，自供能技術(shù)的前景是廣闊的。據(jù)EnOcean Alliance的相關(guān)人員表示，EnOcean協(xié)議比較適合用于樓宇燈控與商業(yè)照明，并且商業(yè)樓宇在申請(qǐng)節(jié)能認(rèn)證時(shí)使用EnOcean協(xié)議可以加分。同時(shí)該技術(shù)無(wú)需外部電池電纜，大大降低了安裝維護(hù)成本，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

EnOcean不斷加大推廣力度，在中國(guó)開(kāi)辦展會(huì)、推出低單價(jià)模塊，同時(shí)EnOcean技術(shù)與有線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)合運(yùn)用。連接照明公司Gooee曾運(yùn)用EnOcean自獲能無(wú)線技術(shù)，將藍(lán)牙低功耗自供電開(kāi)關(guān)模塊融入到藍(lán)牙智能網(wǎng)堆棧。

但EnOcean能量采集技術(shù)存在要求設(shè)備不需長(zhǎng)期運(yùn)行的局限[8]，為解決技術(shù)的不足，EnOcean正研究更加低耗能的芯片模塊與高技術(shù)水平的能量采集模塊，同時(shí)自身將趨向于與多技術(shù)融合發(fā)展，提高系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度，將被廣泛地應(yīng)用在智能照明、建筑節(jié)能改造中，以促進(jìn)智能家居與智慧城市的發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，EnOcean技術(shù)作為新型無(wú)線通信技術(shù)，不僅通過(guò)自獲能技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)源無(wú)線，而且數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、速度快，應(yīng)用范圍廣泛，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。

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Research Status and Prospect of EnOcean Technology

CUI Kai，SONG Wen-fei，CHEN Wei，WEN Ming-yan，ZENG Xiang-xiang，ZHANG Jun

（School of Electrical Engineering，University of South China， Hengyang? Hunan? 421001）

Abstract：EnOcean technology is a new type of wireless communication technology， which has the advantages of energy acquisition， ultra-low power module group and high quality communication. This paper mainly expounds the system principle and development history of the EnOcean technology， introduces the communication principle and main characteristics of the EnOcean technology， and finally analyzes the future development trend of the EnOcean technology.

Key words：EnOcean technologyc; wireless communication;energy acquisition;low power consumption