EnOcean:无线无源技术在智能建筑中的应用

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enocean(易能森)公司自其成立至今已经走过了12年，其倡导的无线无源的理念逐渐融入到了现代智能控制的领域中，并逐步被广大集成控制厂商所接受和应用。相比于传统的集成控制、总线制控制和分布式控制的楼宇自控技术来说，无线无源概念的引进和吸收使得智能控制在楼控方面的使用得到了显著的拓展，无线操作的理念实质性地解决了错综复杂的线缆布线和电源持续供给两大方面的问题，也为建筑的可持续性发展提供了很好的解决方案。随着绿色智能建筑和智能家居的概念在房地产业的推广，直接或间接地影响着相关产业链的发展，同时带动了无线无源技术在智能建筑领域的刚性需求。

无源：能量采集与供给

图中传感器模块、处理器模块、无线通信模块均需要有足够的电能量以维持整体电路的长时间持续工作，图中的电源模块依托环境中各种信号源(振动，热能，太阳能，机械能等)，将其转换为电能传输到能量存储与管理模块，能量与存储模块自动调节输入与输出能量的动态平衡，其理念兼顾了快速充、放电和能量持续供给的特点。当传感网络节点需要电能时，能量存储与管理模块自动调整能量配给，储存的电能传输到达无线传感器网络节点上的各个元器件终端处，例如模数转换器、处理器、存储器、射频收发器等，从而保证了整个无线网络的能量供给。

本文中以太阳能与射频信号能为例向读者介绍环境能源的采集与供给。

1　太阳能

太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的清洁能源，从使用条件上几乎不受地域的限制，且无需开采和运输。太阳能采集就是将太阳能或光能转化为电能，将转化后的电能供无线传感器网络所使用。此技术可以用于解决不可再生资源的枯竭、能源紧缺、环境污染等诸多现实问题。

针对工业、交通、农业以及商业等多领域应用推出了可将环境光转换为电源的太阳能采集的电池组件，充分满足了无线传感器网络系统设计人员对可替代能源的需求。尤其在光照充足的偏远地区和危险环境区，产品研发人员可以构建基于太阳能的自供电无线传感器网络，从而无需定期花费时间与金钱进行系统维护和电池更换。

EnOcean的太阳能采集模块采用了一种多晶硅太阳能电池。多晶硅电池将太阳能转换为电能的效率为11％～16％，无电力网地区的民用和工业用太阳能板系统是人们很熟悉的装置。另一种常见的太阳能电池是非晶硅电池，但它的效率只有多晶硅的一半(8％)。除了转换效率低的缺点以外，在阳光直射下非晶硅电池的转换效率每年还要衰减15％～35％。

虽然太阳能来源广泛，但是太阳能具有分散性和不稳定性。虽然到达地面的太阳能总量很大，但是能流密度很低，甚至有些地方光照时间很短，因此，太阳能采集器必须具有足够的存储能力、强光敏度和高效的转化率，以便在微光照条件下，为无线传感器网络提供充足的电能。然而存储能力、光敏度和转化率的提高却大大增加了系统成本，使用时要慎重考虑。

2　射频信号

射频信号的能量也可作为能量采集的一部分，射频能在我们的生活空间是无处不在，电视信号、无线电广播网和手机天线塔等发出的高频电磁波都载有射频能量。射频能量采集是通过天线接收周围环境中的射频能，并将其转换为电信号，经调制变为直流电，供无线传感器网络节点工作使用的一种能量采集技术。

射频能量采集器可被部署在WiFi路由网络中或具有多发射机广域覆盖的移动基站中，可根据应用需求对无线传感器网络进行充电或为其提供持续的电能：还可用于HVAC供电和能源管理、健康监测、定位跟踪传感器设备中。

射频能与振动能、太阳能和热能不同，它不受振动强弱、光照和温度的影响。当建筑物内部经常只有低光照甚至无光照条件，不可使用太阳能采集时：当传感器被布置于墙壁内或天花板上时；当室内也不可能提供合适的温度梯度时；甚至微弱的振动时，射频能采集却可将周围环境中的射频能转化为电能，为无线传感器网络供电。但由于射频能的空间密度非常低，随离能量源距离的增加射频能不断减少，因此带有能量采集功能的无线传感器网络必须布置在靠近基站的位置，一般为3～100米。实现远距离射频能采集，势必要以系统的高额成本来换取高能量采集效率和转化率。

根据能量采集技术及其工作原理，结合无线传感器网络节应用环境，提出了无线传感器网络能量采集方案选择原则，从而为高性价比电源方案的选择提供了可靠依据，实现了用最低成本的、最高性能的能量采集方式为无线传感器网络提供持续的能量。

无线：传感器网络架构

EnOcean技术的初衷和前期应用主要围绕智能家居的范畴去努力的，因此其OEM产品或联盟会员产品主要都是围绕这个理念来做产品研发的。在欧盟或者北美市场，以家庭别墅或者公寓为单位的居住环境格外需要对整体能源的综合管理和智能控制，产品的推广度相对容易受国外消费者的重视。

反观国内市场，其主流的智能控制消费能力仍就集中在大型的办公场所，写字楼，别墅区等中、高端的项目中的应用，产品的研发方向围绕国内市场的特殊性做调整，核心的技术以无线传感器、控制器、网关和配套软件为主，功能定位、外观设计以及模块的扩展功能以定位方式开发，特别是在中、高端酒店的客房控制和别墅区的项目应用。

无线窗磁传感器：它自动感应窗户是否处于被打开或关闭状态，当传感器感知窗户被开启时，发送控制信号随即关闭房间的空调或者采暖系统，从而避免因人为疏忽导致的能源浪费。

无线人体照度传感器：当房间处于占用模式时，配合吸顶安装的人体传感器，感应探测区域是否有人活动，当传感器感知有人进入被探测区域内，房间随即转入占用、有人模式，这时控制系统允许开启照明、空调系统，并自动打开室内相应的窗帘系统。当人离开活动区域后，传感器在一定时间间隔内感应不到有人活动时，房间随即转入占用、无人模式，此时控制系统自动关闭相应的照明或者空调系统，以便节约能量消耗。

智能温控器：它自动感知区域内温度情况，并根据采集的温度数据自动调整空调和暖气的制冷或供热系统的启停，并可智能控制风机盘管空调的送风量大小，真正做到室内温度的智能控制。

EnOcean网关：接受EnOcean无线传感器发送的信号，并转化为TCP／IP数据信号。当房间处于占用、有人模式时，如果采用分组或集群控制方式的话，配合EnOcean智能网关可以实现房间的整体智能控制，亦可结合iPhone／iPad智能终端进行设备的双向访问和控制。

无线无源开关：当房间处于占用、有人模式时，通过无线无源开关，可以智能控制房间灯具设备的打开、关闭以及电动窗帘的升降或开、闭合控制。同时，它可配合自有的智能调光系统营造出不同灯光场景的应用效果，例如会议模式、娱乐模式、阅读模式等灯光场景模式。

无线智能插卡器：它作为整个房间的总置是具有最高优先级的，决定房间的占有控制。其功能可以控制房间内部整体供电系统电源的开、断控制。当门卡入时，房间随即转入有人占用模式，房间的灯光，空调或窗帘系统的供电回路被自动接通。当门卡被拔出时，房间转入无人占用模式，整体房间的电源系统除UPS(应急电源外)，均被自动切断，以此达到节约总体能耗的目的。

集成：上层的软件协议

智能网络控制器是一个集研究控制系统体系架构、开发相关应用软件和提供管理服务为一体的终端设备。其技术核心是具有开创性的基于Java的新平台体系架构，同时综合了最常见的现场总线标准以实现设备或仪表间的无缝连接，可轻松集成驱动系统和设备，无论是制造商、通信标准还是软件，都能集成在一个统一的平台上，并使用标准的网络浏览器，通过Internet或Intranet进行实时的管理和控制。Framework的应用包括能源管理、建筑自动化、电信、安全自动化、维护维修运行和工厂设备管理。

其优点如下：

1　不同厂家的设备都可以集中在同一个平台上运行，这样避免设备和系统的重复投资和浪费：保证现有设备和系统的再利用，方便与新系统的有效集成；方便多渠道采购，降低采购风险。

2　基于互联网的远程访问功能，实时监控智能设备和仪器，这样方便操作和使用，降低维护难度。

3　基于开发平台和分布架构，可满足业务变化对系统功能需求的变化。

4　多重的经济效益，极大地降低前期固定资产的投入，系统运转维护费用。

作为系统集成的上层的软件架构，把系统快速集成和GUI图形界面的设计引入到EnOcean的智能控制系统中。无线传感器系列产品通过无线网络实现与控制器无线信号的传输与控制，同时亦可采用有线组网的控制方式，节约了投资成本，有线方式与无线控制方案并存的设计理念综合考量了现代楼宇控制的诸多特点，满足了不同设计需求客户的具体安装要求。同时针对国内用户多采用中央控制、集群控制和监控的特点，对中上层软件架构的开发就显得尤为重要，集成不同子系统的设备，真正做到灵活性和扩展性。

应用：多元化智能控制

EnOcean技术适用于客房控制、办公自动化、智能家居、历史古建等领域，与之相应的控制系统能为体验者呈现出智能门禁控制、智能调光控制、智能空调控制以及智能终端显示等主流服务，同时针对不同区域结构和户型功能也能为体验者提供便捷的定制化服务，以便满足不同需求和不同装修风格的客户要求。