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。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，最后分析了EnOcean技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

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

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0040-03

1 概要

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

EnOcean系統(tǒng)由無線傳感器模塊和無線系統(tǒng)模塊組成。基于“有效地整合利用環(huán)境中被忽略的微量能源”的理念，無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;無線收發(fā)器接收到信號后，通過微控制器轉(zhuǎn)換并發(fā)送控制信號，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線通信技術(shù)，是由德國易能森公司開創(chuàng)并推廣的[2]。1995年，西門子能量收集技術(shù)部門開始進行能量收集裝置的開發(fā)工作，并于1997年獲得第一個能量收集傳感器專利。2001年，西門子公司的無線無源研究部門單獨成立為EnOcean GmbH公司，致力于研究用于建筑設(shè)施的免維護無線傳感技術(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，旨在實現(xiàn)技術(shù)的標準化與國際化，推動無源無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無線通信標準被國際電工技術(shù)委員會采納為國際標準“ISO/IEC 14543-3-10”，成為目前世界唯一使用能量采集技術(shù)的無線國際標準，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，而應用層由EnOcean Alliance根據(jù)EEP（EnOcean設(shè)備標準文件）保證產(chǎn)品開放與兼容性[2]。

EnOcean技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展起步較晚，且非常緩慢。自2012年以來，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線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入，EnOcean技術(shù)在中國未來的智能家居行業(yè)得到廣泛應用。

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線傳輸，如圖3。串口傳輸是由主機和EnOcean RF模塊通過連接相應的物理接口，以三線連接RX，TX和GND的方式傳送報文。無線傳輸是EnOcean RF射頻模塊與模塊間的無線傳輸[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通信報文是實現(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通信報文的數(shù)據(jù)框架占8位，不包含校驗位，由Start Bit（logical0）開始至Stop Bit（logical1）結(jié)束，以logical1代表串口空閑[3]。

為實現(xiàn)雙向通信的串口與無線傳輸報文，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、事件或者響應消息，即由同步字節(jié)、頭文件、CRC8H校驗碼、數(shù)據(jù)、選擇數(shù)據(jù)和CRC8D校驗碼組成，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)包類型。當主機或者模塊收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)包類型，作出相應的通信響應。

通信響應包含三種類型：廣播響應、請求響應及事件響應，如圖5。當主機向模塊發(fā)送RADIO、RADIO_SUB_TEL或REMOTE_ MAN_COMMAND類型的數(shù)據(jù)包后，將處在等待狀態(tài)，直到主機接收到EnOcean模塊的響應信息才繼續(xù)運行程序，此過程成為廣播響應。而請求響應和事件響應是單向的，請求響應只能是主機向模塊發(fā)送REQUEST指令，模塊在接收后必須反饋RESPONESE數(shù)據(jù)包;事件響應只能是模塊向主機發(fā)送EVENT數(shù)據(jù)包，主機在接收后可以反饋RESPONESE數(shù)據(jù)包。

4 EnOcean技術(shù)的特點

EnOcean技術(shù)一方面基于能量收集的理念，通過將生活環(huán)境中的微量能源收集起來，然后進行能量的存儲與管理，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)合超低功耗信號收發(fā)、微型能量轉(zhuǎn)換器與可靠的無線通信技術(shù)，有效降低電能消耗。具體表現(xiàn)為以下三大特點[4]：

4.1 能量收集與轉(zhuǎn)換技術(shù)

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

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，再進行數(shù)據(jù)發(fā)送，或者將節(jié)點設(shè)定為休眠狀態(tài)，通過傳感信號激活節(jié)點狀態(tài)，以降低電能的消耗。與目前的無線通信技術(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)量的無線通信

EnOcean無線標準“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)動低功耗芯片組，通過加密操作與反復發(fā)送信號操作來實現(xiàn)可靠性與安全性的，傳輸范圍最大，同時抗干擾能力最強。

5 EnOcean技術(shù)的未來展望

目前，全球的經(jīng)濟與資源形勢并不樂觀，新建建筑的數(shù)量可能在不斷減少，但是對于樓宇改造的熱度始終未減，很多公司在進行相關(guān)綠色低碳產(chǎn)品的研發(fā)，無線集成方案因維修簡單、耗能低的特性，必然成為首要選擇。因此，EnOcean將在未來無線智能家居系統(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，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)樓宇在申請節(jié)能認證時使用EnOcean協(xié)議可以加分。同時該技術(shù)無需外部電池電纜，大大降低了安裝維護成本，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求。

EnOcean不斷加大推廣力度，在中國開辦展會、推出低單價模塊，同時EnOcean技術(shù)與有線系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)合運用。連接照明公司Gooee曾運用EnOcean自獲能無線技術(shù)，將藍牙低功耗自供電開關(guān)模塊融入到藍牙智能網(wǎng)堆棧。

但EnOcean能量采集技術(shù)存在要求設(shè)備不需長期運行的局限[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，將被廣泛地應用在智能照明、建筑節(jié)能改造中，以促進智能家居與智慧城市的發(fā)展。

6 結(jié)語

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

參考文獻

[1] 陳寧.EIB與EnOcean系統(tǒng)在別墅照明控制的應用研究[D].大連理工大學，2015：12-19.

[2] 王樹偉.基于ENOCEAN的可佩戴病房呼叫系統(tǒng)的設(shè)計[D].天津工業(yè)大學，2017：8-16.

[3] 楊威.支持EnOcean無線技術(shù)的Web控制器設(shè)計與實現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學，2016：29-40.

[4] 宋圣濤.基于EnOcean的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].浙江理工大學，2016：9-13.

[5] 陳超群.基于EnOcean技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].上海應用技術(shù)大學，2016：3-5.

[6] 鄔金萍，盧鐳，郭金妹.基于EnOcean的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技廣場，2017（10）：67-68.

[7] 鄒琴晴.支持EnOcean無線技術(shù)的Web控制器設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（13）：27.

[8] 邱小路.基于EnOcean與以太網(wǎng)技術(shù)的電力信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].湖北工業(yè)大學，2017：5-9.

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