用于实现建筑自动化标准的无线设备介绍

今天，大多数工程师花费大量时间专注于生产节能产品。然而，在更大的方案中，即使在能源效率低下的家庭或办公室中使用节能产品也不会对整体能耗产生太大影响。家庭和楼宇自动化是适当集成技术可以极大地影响总能量使用的地方。

直到最近，一个真正节能的家庭或建筑必须从头开始设计，包括所有布线，有线传感器和有线控制，以实现智能能源使用。这是多年来的绊脚石，因为它不支持改造市场。

这是低成本，可靠的无线技术发挥作用的地方。一些建筑自动化标准正在出现并竞争接受，承诺节约能源，并改善我们的生活方式，舒适性，安全性和健康。无线家庭和楼宇自动化是一个肯定会增长的领域。

本文介绍了一些新兴的无线家庭和楼宇自动化标准以及用于实现这些标准的设备。

早期尝试

家庭自动化无线连接的首次尝试来自BSR，后来成为X-10。这些模块化模块插入插座，允许远程控制和定时事件决定何时打开或关闭某些东西，以及控制白炽灯泡调光的强度等级。

通过使用电源线作为信号介质，X-10设备不需要任何新的通信线路，因此称自己为无线。虽然按照现行标准粗略，但这些设备有些有效，尽管当控制器处于电力线的不同相位而不是受控设备时存在问题。

另外两个因素不允许X-10设备成为有效能源管理系统中的真正竞争者。首先，通信速率慢（低于300波特），其次，通信只能从控制器发送到设备而不能回到控制器。这意味着控制系统在任何时候都缺乏关于系统真实状态的任何知识。如果您不知道什么是开启和什么关闭，您如何进行负载平衡，调度和峰值需求加载处理？

尽管如此，单向定时和顺序事件可以为节省能源做很多事情。离开家时只需一个按钮即可确保咖啡壶关闭，灯关闭，立体声和电视关闭，一切都很安全。进入时也是如此 - 单个开关可以打开所有灯以确保安全。

家庭自动化的真正好处只有在智能建筑结构中才能实现。为了实现这一目标，嵌入式无线传感器，执行器，用户界面，显示器和处理器都需要以统一和标准化的方式协同工作。和谐只发生在每个人都在调和的时候。这就是新兴协议希望进入的地方。

经过这么多年后仍然在脉动？电力线调制作为一种“无线”形式仍在使用，并且当与RF技术相结合时，创造了一种低成本的改造解决方案。例如，INSTEON™模块可与131.65 kHz调制电源线以及904 MHz RF配合使用，以创建双频网状网络拓扑，其中电源线和RF相结合，可解决一些固有的X-10问题。对于照明控制，设备控制，加热和冷却非常有用，节点可以是控制器，中继器或终端设备，并且该设备向后兼容X-10。

其他像RFXCOM，WGL＆amp; Associates和Z-Wave仍然为混合混合网络拓扑提供X-10支持和支持。ZM310-CME1（见图1）及其10个I/O，UART，SPI，Triac驱动器和A/D输入，可以很好地承担许多电池供电的传感器网络和执行器智能家居和建筑物的控制器。

ZM310-CME1还支持Z-Wave的国际频率标准，如欧洲868.4 MHz，美国908.4 MHz和澳大利亚921.4 MHz频段，使其可在整个国际市场上使用。

图1：基于8051的ZM3102N Z-Wave模块实现了Z-Wave协议，并为OEM家庭自动化应用提供闪存和用户SRAM。 （由Sigma Designs，Inc。提供）

新的孩子们在街区

新一代RF无线协议和标准针对家庭和楼宇自动化以及健身，健康，媒体控制，生活方式，和更多。通过尝试将它们联系在一起，希望有多个合作伙伴开发可互操作的系统。

随着半导体制造商和产品设计公司开始接受它，一种开始受到关注的协议是ANT +协议和标准。

ANT和ANT +机芯始于专有无线传感器机芯，旨在协调和收集运动器材，心率监测器以及其他健康和保健应用的数据。小而简单的堆栈大小，以及创建复杂网络拓扑的能力，创建了一个开发组织--ANT + Alliance，Garmin的间接子公司 - 指定数据通信和配置文件以实现互操作性。 ANT +可以使用其基本节点和集线器实现点对点，星形，树形和网状网络拓扑（参见图2）。

图2：从点对点到复杂的网络拓扑，ANT +协议实现了非常灵活的网络拓扑部署，包括在关键节点无法访问时提供备用路由的能力。 （由Dynastream Innovations，Inc。提供）

ANT +使用64位网络安全密钥为最多2³²地址提供支持。它支持单向和双向通信，并且设计为在标准CR2032纽扣电池上运行大约四年。

一个关键的好处是简化的OSI网络模型，它允许更简单，代码更少的软件堆栈（参见图3）。因此，刚刚开发ANT +应用程序的半导体供应商很可能会免费向使用其芯片的设计人员提供软件IP。

图3：ANT +协议的简化网络模型意味着可以使用代码空间更少的较小MCU来降低成本，特别是对于小型，低功耗的传感器和执行器。 （由Dynastream Innovations，Inc。提供）

ANT + Alliance的300名成员包括几家半导体设备制造商，他们开始为希望将ANT +纳入其产品的设计人员提供直接的应用支持。 ANT +非常适合许多家庭和楼宇自动化应用，因为嵌入在结构中的简单传感器可以是低功耗，小型，并且使用小型处理器而无需大量闪存或RAM。

松下ENW-89827A2JF是一个可集成模块的示例，可以快速下载到您的应用程序中（参见图4）。作为该公司PAN1327系列的成员之一，2.4 GHz表面贴装模块的电压范围为1.7至4.8伏，并支持蓝牙和ANT协议，同时支持高达4 Mbits/sec的数据速率。

Dynastream还提供带有2.4 GHz ANTC782M5IB模块的ANT +收发器，可提供高达1 Mbit/sec的可用数据速率。这些模块基于TI的芯片，如CC2567，CC2570和CC2571 ANT RF网络处理器。

图4：Panasonic ENW-89827A2JF是该公司用于ANT +的PAN1327嵌入式RF模块系列的一个示例。 （由松下提供）

大卡胡纳斯

到目前为止，部署最广泛的非Wi-Fi个人局域网（PAN）设备是蓝牙。然而，耳机现在推出了v4.0规范中最新的蓝牙低功耗（LE）部分（参见Low-Energy Bluetooth Gets Personal）。因此，蓝牙LE可能是家庭和楼宇自动化的强大竞争者，特别是当与手机配合使用时。

另一方面，许多半导体制造商都在关注ZigBee®的新兴受欢迎程度。数十家半导体制造商提供针对ZigBee设计定制的芯片。

扮演类似于Wi-Fi联盟的角色，ZigBee联盟负责ZigBee兼容设备必须遵守的IEEE 802.15.4标准规范。与其他无线标准一样，ZigBee在UHF ISM频段运行，提供高达250 Kbits/sec的可用数据速率。

协议的灵活架构允许它以点对点，星形，树形和网状配置运行，要求每个网络都有一个协调器控制器。

灵活的路由，处理复杂和潜在巨大网络的能力，以及大量可用设备都是ZigBee的优势。不幸的是，ZigBee的网络堆栈是粘贴到MCU中的大量代码。因此，嵌入式ZigBee应用可能需要按比例缩小的配置文件或更大的MCU（参见图6）。

图6：ZigBee提供了很多灵活性和互操作性，但使用了更大，更复杂的堆栈，必须存在于本地MCU的代码区域内。 （由ZigBee联盟提供）

幸运的是，只要您使用他们的芯片，大多数半导体制造商都会提供免版税或免许可证的堆栈代码。

例如，Microchip MRF24J40是一款单芯片802.15.4 2.4 GHz收发器，具有集成的MAC/PHY功能，可通过其SPI接口充当RF外设。与其他功率优化器件一样，MRF24J40使用20 MHz晶振进行操作，32.768 kHz晶振用于实时时钟和低功耗睡眠模式。与其他芯片制造商一样，Microchip为ZigBee提供免费下载的堆栈，以及Microchip专有的MiWi和MiWi P2P协议栈。

Atmel还通过其RF微型和RF收发器（如AT86RF231-ZU单芯片2.4 GHz收发器）为ZigBee提供支持，该收发器也使用SPI作为外部MCU接口。除ZigBee外，AT86RF231还支持RF4CE（ZigBee的远程控制子集），WirelessHART（工业自动化协议），6LoWPAN（无线格式的IP V6），以及支持专有的无线ISM频段开发。来自Atmel的A发布在Digi-Key网站上，该网站突出了Atmel的RF解决方案。

恩智浦也是ZigBee领域的一员，在单芯片中采用JN5148-001-X MCU和收发器。低功耗片上32位RISC控制器与片上802.15.4 RF部分和各种外设紧密配合，为ZigBee和其他2.4 GHz无线链路提供单芯片RF解决方案。

JN5148的一个有趣特性是，该芯片不仅可以使用32.768 kHz晶振进行低功耗操作，而且可以在低至4 kHz的电流下工作，当不需要RTC精度时，可以进一步降低功耗。外部中断可用于事件检测，保持功率尽可能低，直到微控制器需要唤醒。协议栈库也可用于加速开发。

图7：恩智浦RF收发器具有丰富的外设，以及802.15.4收发器和32位RISC控制器。 （由NXP Semiconductors提供）

其他肯定会出现的问题这里提到的协议是迄今为止自动化和能源管理中最常被讨论和支持的协议，但这些协议绝不是唯一的选择。其他人肯定会出现，而其他现有无线协议（如Wi-Fi）的使用甚至可能会蓬勃发展。

Wi-Fi可能不是最具成本效益的解决方案，从性能的角度来看，从低功耗睡眠状态唤醒时可能需要更多的设置时间，但是有些人可能会觉得需要在现有的情况下工作Wi-Fi网络。无论哪种方式，依靠半导体制造商提供最新的可互操作解决方案，简化了设计工程师所需的学习曲线和工具。这也简化了未来的合规性，特别是随着规范的发展。一个典型的例子是新的ZigBee Smart Energy V2.0规范，该规范定义了一种基于IP的协议，旨在实现能量传输，使用和监控。随着芯片的推出，它为新协议提供了芯片级支持，工程师应该发现它可以直接利用新功能。

这引出了另一个有趣的观点。您无需为任何这些标准实施整个协议。如果您愿意，可以创建自己的高级协议和数据结构，这些协议和数据结构可以通过基本传输层。这是缩小其他完整网络模型以使其更适合嵌入式应用程序的一种方法。

在不利方面，这样做可能会阻止您的设备与其他符合标准的设备通信。如果互操作性很重要，那么实现完整堆栈就是最佳选择。