如何利用无线技术构建大型建筑物的自动化应用

无线技术特别适用于建筑物的自动化，无需复杂和昂贵的布线即可快速，轻松地添加智能。这对设计人员通过选择技术可获得的功率预算有影响，并允许设计人员最大限度地延长无线节点的电池寿命，并最大限度地降低大型建筑物自动化的成本。

为建筑物增加自动化功能通过优化加热和空调来最大限度地降低运行成本，最大限度地减少30％的运行成本。这需要连接在一起的无线传感器网络，通常具有控制网络的集线器。在过去，这个集线器一直是该建筑的专有控制器，但现在通过物联网（IoT），这个集线器是通往更大事物的门户。这开放了物联网（BIoT），无线节点将数据提供给云，以实现高级分析和更好的控制。

市场研究公司Memoori将BIoT视为IP网络的叠加层传感器连接所有建筑服务，同时监控，分析和控制，无需人工干预。从建筑物周围的服务和设备收集数据可以更准确地了解每个建筑物的运行情况，使运营商能够收集，存储和分析云中的数据，以便他们可以使用它来提供更好的运营效率。 Memoori估计，建筑系统的整体市场从2014年的1109亿美元增长到2020年的181.1亿美元，其中三个最大的细分市场是物理安全，照明控制和火灾探测。在此范围内，该公司认为，建筑物内互联网设备的全球市场从2014年的229.3亿美元增加到2020年的850多亿美元。

图1：实现构建物联网有许多不同的方法，无线连接是必不可少的功能。资料来源：Memoori。

这种增长大部分来自于建筑系统内的连接性目前仅为16％，到2025年将增长到50％。这种增长取决于可用于技术的技术的实施。设计师，并出现了一系列低级和高级标准。例如，B控制是B控制联盟的新高级标准。这是由两家德国公司TQ-Group和nxtControl以及Vestamatic和U :: Lux共同推动的。该联盟是制造商之间的合作，通过以“预先集成”的应用形式同步其单位来提供建筑技术中的组件。

另一个组织，EnOcean联盟，有350家公司使用315 MHz免许可频段以及欧洲868 MHz免许可频段和美国902 MHz频段，重点是利用环境能源为太阳能电池，热力发动机或交换机动能源提供无线节点供电。它使用由EnOcean开发的协议，现在是国际电工委员会（IEC）的ISO/IEC 14543-3-10标准的一部分。这使设计人员能够开发出易于互操作的设备，并可以将能量收集用作无线节点的电源。这使得enOcean的STM300等模块可以轻松添加到设计中，但也允许开发人员使用自己的实现。一些联盟合作伙伴现在正在开发Internet网关，以允许这些节点有效地连接到Building IoT基础设施。

图2：enOcean的STM300无线收发器可以通过太阳能电池供电，甚至可以通过开关移动的动能供电。

然而随着互联网连接的出现，现在有更广泛的楼宇自动化底层协议。其中许多都基于IEEE802.15.4标准，ZigBee，6LoPAN和Thread协议都使用这种方法。然而，蓝牙和IEEE802.11 Wi-Fi的使用也越来越多，以提供连接。

飞思卡尔半导体的MKW2x等设备可用于物联网的许多监控和控制应用，包括楼宇自动化。这些可以在低于1 GHz和2.4 GHz的免许可频段中运行，并实现802.15.4，ZigBee和Thread协议栈。 MKW2x是一款低功耗，紧凑型集成器件，由符合2.4 GHz IEEE802.15.4标准的无线电收发器和带有连接和精密混合信号模拟外设的ARM Cortex-M4微控制器组成。

图3：飞思卡尔的无线微控制器开发套件允许设计人员轻松实现BIoT的多个节点。

这些设备用于轻松实现基于ZigBee Pro网络堆栈的连接楼宇自动化的应用程序配置文件，以及允许在节点之间轻松传输数据的ZigBee IP网络堆栈和Smart Energy 2.0应用程序配置文件。

微控制器允许实现不同的协议，最多512 KB的闪存用于程序存储，64 KB的SRAM用于代码执行。但是，它还包括一个16位模数转换器，用于简化节点的设计，还包括一个加密加速块，以提供数据安全性。 MKW2x的无线电收发器具有高达-102 dBm的接收灵敏度，+ 8 dBm的最大发射输出功率和高达58 dBm的信道抑制，在0 dBm输出功率下的发射电流消耗为17 mA，峰值接收电流为低功耗前导码搜索模式下的15 mA。

大小对于构建控件也很重要，因为无线节点必须适合小型设备项目。 MKW2x采用8 x 8 mm LGA封装，总触点为63，工作电压为1.8 V至3.6 V.

这些不是用于楼宇自动化系统的唯一频段。例如，Decawave为其超宽带DW1000 ScenSor（Seek Control Execute Network Sense Obey Respond）单芯片收发器使用了3.6 GHz至6.5 GHz的六个频段，该收发器也能够运行802.15.4协议。由于收发器中的相干接收器技术，这允许高达6.8 Mb/s的高数据速率和高达300 m的范围。超宽带方法也不受多径衰落的影响，这对于存在大量反射的建筑环境来说可能是一个问题。低功耗设计的发射功率为-14 dBm，发射电流为31 mA，可实现较长的电池寿命和6 x 6 mm的小型封装尺寸，以适应无线节点。

图4：Decawave的DW1000超宽带收发器使用3.5 GHz至6.5 GHz的频段，用于抵抗多径衰落的低功率链路建筑物中的反射。

使用模块可以是为建筑物自动化系统添加无线功能到传感器或控制节点的有效方法。 Atmel的ATZB-S1-256-3-0-C ZigBit模块将无线收发器与8位微控制器相结合，可处理250 kb/s至2 Mb/s的传感器数据，以及帧处理，接收器灵敏度和高传输输出功率，可实现强大的自愈网状网络。通过将芯片天线与无线节点的硬件和软件相结合，开发人员可以专注于将传感器与系统的其余部分集成。使用802.4.15网状网络协议允许将更多节点轻松添加到网络中，因为节点通过最近邻居进行通信。这为建筑自动化设计提供了可扩展且稳健的拓扑。然后可以将数据反馈到连接到Internet的网关以进行控制和分析。

图5：Atmel的ZigBit模块集成了芯片天线，无线收发器片上系统和8位微控制器，以简化BIoT无线节点的开发。

紧凑型模块测量30.0 ×20.0 mm，接收灵敏度为-97 dBm，输出功率为+3.6 dBm，链路预算高达100.6 dB。这可以用于扩展链路的范围，以便使用更少的节点，或者通过使它们更接近来降低每个节点的功率。这可以通过一些复杂的网络拓扑分析来获得通过建筑物的节点的正确平衡，但是通过BIoT，可以分析来自节点的数据以确定每个节点的最佳位置。然后，随着时间的推移，添加新节点，可以改进网络，以提供来自无线连接的传感器和控制单元的数据的正确平衡。

设计人员使用该模块的一个关键优势是，通用IO最多可配置31条线路，以便传输传感器数据并将控制数据传送到执行器（如门）锁或开窗器。为了进一步简化节点的设计，每个模块都有一个可以在最终产品上使用的预分配MAC地址，并且可以存储在内部EEPROM中。这可以大大简化建筑运营商对终端设备的配置。

结论

将更广泛的互联网功能添加到楼宇自动化设备是开发人员提供重要意义的巨大机会为建筑运营商节省成本。提供链接到传感器和执行器的无线节点，以及在因特网上分析的数据以及从任何设备控制这些节点的能力，大大提高了这种系统的功能。这可以从315 MHz频段一直传输到6.5 GHz，并针对不同的解决方案进行不同的工程和设计权衡。但是，所有这些都需要由尽可能低的电流供电，以保持最长的电池寿命。