在902 MHz频段内使用能量收集无线技术

能量收集具有将物联网（IoT）变为现实的一些关键优势。取消电源线和数据线的能力是一个开始，但消除电池（或大大延长电池寿命和更换之间的时间）允许无线传感器节点放在许多新的地方。当这些节点连接到中央网关然后连接到Internet时，连接的功能变得明显。可以从世界上任何地方监控设备。可以收集，分析来自各种机器的数据并用于预测。从节点到云一直使用IP数据包在系统架构中提供了巨大的好处。

选择这样做的技术是实现依赖能量收集的系统的关键。 2.4 GHz的流行无线协议，如Wi-Fi和ZigBee，具有低成本和高度集成的收发器。然而，2.4 GHz频段正在变满，并且存在与杂乱频带相关的成本，特别是在功耗方面。因为频带拥挤而不得不重新发送数据包是一个主要的流失，而且不能用于能量收集系统。 2.4 GHz频段也有更有限的范围，并且在范围（节点的输出功率）和功耗之间存在基本权衡。对于给定范围，使用较低频带可提供更大范围或更低功率。这也是使用能量收集系统的关键考虑因素。

EnOcean开发了一种无线协议，针对能量收集电源和低频率频段进行了优化，具有低占空比和高效的错误处理方法，大部分少量能量。使用美国现有的902 MHz频段在范围和功耗方面具有一些显着优势，并为使用能量收集源的系统开发提供了许多机会。

有几个从环境中采集的能量为无线传感器节点和执行器供电的方法。太阳能是一个关键来源，无线节点可以从室内照明获得的能量有效地提供动力。使用来自温度差异的热能对于工业或加热系统可以是有效的，同时还可以有效地收获振动能量以为传感器节点供电。甚至还有研究从我们周围的射频信号发电。这些新产品增加了有效的射频范围，提供了更强的抗干扰性，并简化了产品开发工作，因为它们需要更短的天线长度。新模块增加了现有的315 MHz Dolphin产品组合，包括自供电无线开关模块（PTM 210U），STM300U太阳能无线传感器模块，以及用于控制器和网关的TCM 300U和TCM 320U收发器模块。

图1：STM300U太阳能无线收发模块现在运行速度为902 MHz。

EnOcean已将902 MHz识别为能量收集无线技术的最佳额外免许可频率。北美地区，因为它符合法律法规要求，以及未来几年的预测趋势。该频段处于不太密集的1 GHz以下频段，可为建筑，家庭和工业自动化中的众多无电池无线应用提供可靠的远程无线通信。

902 MHz收发器实现了两倍的范围对于相同的能量预算，常见的2.4 GHz设备。与具有较小天线的315 MHz设备相比，这些模块更小，更易于集成。他们还利用最新的芯片技术进一步降低功耗。共抑制器件（如镇流器和LED驱动器）的干扰也在902 MHz时显着降低。这使得这些模块可用于智能家居解决方案的楼宇自动化，便携式紧急按钮等医疗保健产品，以及消费类电器或机器对机器通信。

新模块系列保留了与EnOcean的315 MHz模块相同的机械和电气接口，这些模块将继续投入生产。现有制造商可以以最少的开发工作量切换到902 MHz模块，而无需更改产品设计。在大多数情况下，唯一的要求是天线适应和EnOcean软件设置的微小变化。新设计受益于902 MHz频段的更高性能和简单的设计过程。

软件是设计的关键部分，并且有标准化的EnOcean设备配置文件（EEP），用于所有基于EnOcean的互操作性可用于Dolphin平台的产品，支持ISO/IEC 14543-3-10国际标准，用于自供电应用的能量采集无线无线电协议。

图2：Dolphin软件环境是开发物联网自供电节点的核心。

这使自供电无线交换机和传感器，以及带有接收器和收发器的全无线网络可用于建筑，家庭和工业自动化。 PTM 210U是一款小型无电池开关模块，可实现非常纤薄的壁挂式摇臂开关或遥控器。结合可编程双向收发器模块TCM 300U或TCM 320U，PTM 210U可以轻松集成到操作和控制单元中，以实现不同的应用特定系统解决方案。双向STM 300U能量采集无线传感器模块由太阳能电池供电，适用于双向温度传感器，建筑物服务传感器和创新执行器。

Dolphin平台的显着特点是对能源需求的认识收割，可实现自供电无线传感器和执行器。 Dolphin系统架构加入了在标准化无线网络上运行的能源自主无线传感器系统所需的组件。这些包括能量转换和存储组件，用于能源管理，数据采集，数据处理和无线数据传输的EnOcean无线模块，以及包括操作系统，API和应用程序在内的软件模块。

作为一个开放和可扩展的硬件和软件架构，它完全向后兼容已经上市的EnOcean设备和系统组件。

Dolphin的硬件内核是构成模块基础的EO3000I芯片。这些已经实现了广泛的固件功能，例如基本开关，调光和测量，无需额外编程即可直接进入应用程序。其内置的应用程序功能可实现简单的启动和系统集成。使用Dolphin API库，可以为模块编写自定义软件，然后可以远程编程到具有32 KB闪存和2 kB SRAM的16 MHz 8051 CPU。这些模块包括各种低至0.2μA电流消耗的掉电和休眠模式，多达14个可配置I/O，10位ADC和8位DAC。

EDK350U等开发套件汇集了所有能量收集无线节点所需的元件，无论是传感器还是执行器。有太阳能到热能的不同能源，以及温度，湿度和接近度的不同传感器，这些能量源与无线收发器相结合，实现了能量收集驱动的完整物联网网络。

图3：用于能量收集无线网络的EDK开发套件。

该套件为主机提供USB接口，可在Dolphin上进行开发，并提供即用型生产模块，如单向和双向串行通信，1通道中继模式，4通道中继模式和1通道调光模式

天线设计

无线电传输具有椭圆形状，这决定了无线电范围。在30米范围内，椭圆体的理论直径在902 MHz时约为10米，因此天线安装以及天花板，地板和墙壁的距离是覆盖范围的主要影响因素。外部天线通常比内部天线具有更好的无线电性能，但增加了成本。房间内的人和其他物体也可以减少无线电范围。因此，应将30 m范围的通用规格视为上限，仔细规划传感器和执行器节点的位置将提高网络的可靠性。这有助于使用能量收集源，因为电源和访问的限制大大减少，因此可以计划网络，更多地考虑连接的可靠性。

其他设备和传感器可用于系统基于EnOcean技术。 ILLUMRA还提供一系列传感器和执行器，例如无线灯开关，可以使用EnOcean部件轻松集成到系统中。

图4：即使是自供电的Illumra无线灯开关也可以物联网。

结论

将传感器和执行器放置在任何需要的位置，为物联网开辟了新的机遇。这种增强功能通过能量收集实现，以最大限度地减少对电池的影响，并且可以在美国驱动，模块和收发器在未经许可的902 MHz频段运行，以提供更长的距离和更高的可靠性。