在家庭自动化和控制照明系统中推动EnOcean技术

家庭自动化已成为能量收集的关键应用，可提供降低成本和简化生活的能力。在住宅应用中开发此类系统的关键因素是低成本和多个供应商，为此，标准至关重要。德国能源采集专家EnOcean正在庆祝家用系统能源采集方面十年的专业知识，目前正在将其无线短数据包协议作为国际标准化组织（ISO）的标准采用。

ISO/IEC家庭电子系统（HES）的14543-3-10标准使用EnOcean协议和前三层为开发由环境供电的无线控制器提供一致的基础。这将允许芯片供应商和模块制造商开发将连接到使用EnOcean技术的传感器和控制器的网关。通过为此类设计创建开放标准，EnOcean看到了数量的增加和成本的降低，以进一步推动该技术进入家庭。

图1：用于家用电子系统（HES）的ISO/IEC 14543-3-10标准的EnOcean架构。

更密切地控制家庭中的照明系统有助于减少电费和能量收集扮演一个重要角色。能够在家中灵活放置控制垫是一项重要的要求;很少有消费者想要改变房间的美观，只需将设备放在插座附近或有可见的布线。

所有这些都可以通过传感器和无线链路网络控制，由控制板本地定向或者来自可以链接到公司网络的中央应用程序。该控制网络还可以包括室外照明，在夜间提供安全性和安全性，同时最大限度地降低运行成本。

从环境中获取能量，通过传感器和无线连接到照明系统的电源控制板可以提供最终可以灵活地将垫子放置在最有效使用的位置。这避免了在家中安装额外数据布线的复杂，混乱且通常昂贵的需求。使用能量收集还消除了更换控制板中电池的需要，增加了消费者的吸引力。

当然，灯主要由主电源供电，但微控制器的持续功耗降低最新工艺技术的无线收发器将连接控制板的能量需求降低到可以从环境中提供电力的程度。

对于室内照明，垫片的主要能量来源是照明系统本身。这可能看起来很奇怪，但是太阳能收集系统可以收集光线并将能量存储在电池中，以便在天黑时使用，保持系统运行多年而不会有光线。

最新进展硅技术还提供更灵活，更高效的太阳能电池，并使现有技术更具成本效益。这为控制板的设计者提供了更多选择，通过具有更大面积的单元或更小效率的单元为系统提供电力。这取决于可用空间，单元外观和典型用途。一些控制板可能具有需要供电的小型显示器，其他控制板可能仅使用简单的LED来指示已经使用了开关。更多的控制焊盘正在更多地使用电容式传感器，这些传感器也需要通电。

EnOcean的模块将微能量转换器与超低功耗电子设备和可靠的无线通信相结合。这使系统开发人员能够创建自供电的无线传感器解决方案，这些解决方案是有效管理家庭能源应用的基础。这些模块集成了能量转换器，能量管理和无线电模块，以及系统和通信软件，使开发变得尽可能简单。每个无线电报所需的工作能量通常只有50μW，因此可以通过压力，运动，光线，温度，振动甚至旋转产生工作能量。这些模块的室外传输距离可达300米，室内可达30米，可以覆盖典型的家庭。

住宅环境设计的一个关键要素是可靠性。可以有许多传感器用于控制许多照明系统，所有这些都必须在包括许多其他噪声的无线电环境中可靠地工作，从微波炉到无绳电话和Wi-Fi数据网络。 EnOcean使用经批准用于868.3 MHz或315 MHz脉冲信号的稳定频率范围供全球使用，并配有预先安排的发射器到接收器分配，具有40亿个固定代码编号，以提供这种可靠性，现在处于开放标准环境中。无线电使用ASK和125 Kbit/s的低数据速率来降低成本，同时随机发送短电报以避免冲突。

EnOcean的优势在于三个键的组合技术：使用运动转换器，太阳能电池和热转换器的无线传感器;使用最佳的能源管理技术，确保设备即使是最微小的能量，也能通过无线电传输传感器信息;智能软件堆栈可实现模块化，多功能和用户友好的客户应用集成。

EnOcean的EDK312开发套件包含低功率RF发射器模块和Peltier效应传感器，可捕获热量能源。 STM 312 RF模块工作在868 MHz，支持各种无线传感器。其他能量收集源如太阳能电池也可以根据家中的情况添加，使用照明本身或本地热源为控制垫的电池供电。

图2：EnOcean的能量收集开发套件。

这可能包括Sanyo AM-5902CAR，它使用基于非晶硅而非晶体硅的柔性太阳能电池材料为设计人员提供更多选择，并创建适合消费者环境的控制单元。

非晶硅可以吸收更多光线，使电池在给定功率输出下更薄。这意味着可以生产小于1μm的薄膜并用于发电。通过使用塑料基板，该薄膜可以制成柔性，用于收集光能为控制器垫供电。

也可以使用其他太阳能电池技术。 IXYS的IXOLAR SolarMD可用于为垫中的无线传感器和备用电池供电。 SolarMD的电池效率通常为22％，即使在“低光照条件下”也可以延长运行时间，并且可以在较小的占地面积内延长电池寿命和运行时间，这可以很容易地适应便携式产品的设计。该设计允许串联和/或并联灵活地连接SolarMD，以满足特定的功率要求。

EnOcean ECT310 DC-DC转换器的工作电压为20 mV，与低温的2开尔文温差有关。成本标准Peltier元件，用作热电发电机。 Peltier元件的两个极板之间的温差会产生电能，并且需要一个超低压DC/DC转换器将小输出电压升压到大于3 V的电压，这是标准电子电路所要求的。

该套件具有预定义的功能集，可用于能源管理，数据采集，数据处理和无线数据传输。用户特定的应用程序可以基于Dolphin应用程序编程接口（Dolphin API）实现。

EnOcean使用分布式智能系统，以便在组件发生故障时一切都能正常工作。这意味着每个功能节点都有自己的本地处理器，可以检测测量数据，控制能量管理和无线传输，并可以做出自己的决定。

各种公司已经将EnOcean技术用于住宅照明。例如，德国的BSC计算机拥有与楼宇自动化，能源管理和环境辅助生活相关的解决方案的软件和硬件。传感器网络基于EnOcean独立于能源的无线技术，可用于通过智能手机，平板电脑，电视或PC控制家庭照明。

还有其他用于住宅照明的能量收集方法，无论室内还是室外。

对于室内照明，Microchip的XLP 16位能量收集开发套件使用太阳能为控制系统提供电源，可用于住宅照明控制应用。它使用具有nanoWatt XLP技术的PIC MCU，通过太阳能电池运行，通过PICtail模块的扩展连接器为RF收发器供电。

图3： Microchip的XLP能量收集开发套件。

该套件以Cymbet的太阳能收集器为基础。这适用于室内照明，并在两个Cymbet EnerChip薄膜可充电储能设备中捕获，管理和储存能量。当光线不足时，EnerChips为XLP开发板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet开发的集成到控制板的Energy Conscious软件算法监控电源条件和容量。

同样，Silicon Labs还有一个带有薄膜电池的太阳能收集板，它具有提供网络节点的所有元件，该节点由大约200勒克斯的室内照明供电。该评估板非常适用于住宅照明控制板，因为它针对的是定期唤醒以测量和传输结果的系统。由于它是由能量收集源供电，因此薄膜电池的预期寿命大于15年或7000 mAh。这也意味着无线节点可以设计成非常薄的外形，因为电池高度为0.17 mm，可以放入适合控制板的小外壳中，可轻松安装在办公环境中的任何位置。

图4：Silicon Labs的带有薄膜电池的太阳能收集套件。

该系统由无线传感器节点和EZRadioPRO USB Dongle组成，使用8051微控制器和Silicon Labs Si4431无线电，工作频率为919.84 MHz，由太阳能收集电源供电。能量收集电源的漏电流约为3μA。这意味着只有50勒克斯照射到太阳能电池中足以在黑暗中支持控制器长达七天，或者如果经常使用灯光则无限期地支持控制器。

夜间户外照明对于住宅系统也很重要。能量收集也可以用作外部照明作为主要来源，通过相同的无线网络和控制器控制灯光。这甚至可以与家庭安全系统相关联。

STMicroelectronics的STEVAL-ILL022V1太阳能LED路灯控制器评估套件由80 W电池充电器和25 W LED驱动器组成。它支持最大功率点跟踪（MPPT），通过对单元输出进行采样并应用正确的负载以获得最大效率，从太阳能电池板获得最大可能的功率。 LED灯的恒定电流控制和电池充电控制简化了系统设计。通过调试LED指示灯可以轻松进行系统监控。

图5：STMicroelectronics的LED路灯控制器评估套件。

结论

住宅照明系统的能量收集提供了许多不同的方式来提供具有成本效益和灵活性的控制器和传感器网络。能够避免更换电池并将控制器和传感器放置在家中的任何地方，这为创新提供了许多机会。使用平板电脑，智能手机或PC来控制家庭照明，可能来自世界任何地方，使家庭自动化能够向前迈出一大步。到目前为止，已经有专有的实现和无线协议。现在，批准家用电子系统的ISO/IEC 14543-3-10标准为优化用于能量收集源的此类系统的开发和成本降低提供了开放基础。这将推动许多新的和令人兴奋的产品的开发，为家庭自动化和控制照明系统。