构建物联网的多种不同实现方式

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无线技术特别适用于楼宇自动化，无需复杂且昂贵的布线即可快速轻松地增加智能。这对设计人员通过技术选择可获得的功率预算产生了影响，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自动化大型建筑物的成本。

通过优化供暖和空调以最大程度地减少电力使用，为建筑物增加自动化可以将运行成本降低多达 30%。这需要连接在一起的无线传感器网络，通常使用集线器控制网络。过去，这个集线器一直是建筑物的专有控制器，但现在有了物联网 (IoT)，这个集线器是通向更大事物的门户。这开启了物联网 (BIoT) 的建设，其中无线节点将数据馈送到云中，以进行高级分析和更好的控制。

市场研究公司 Memoori 将 BIoT 视为传感器上 IP 网络的覆盖，连接所有楼宇服务，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详细地了解每座建筑物的运行情况，使运营商能够在云中收集、存储和分析数据，以便他们可以使用它来提高运营效率。Memoori 估计，建筑系统的整体市场将从 2014 年的 1109 亿美元增长到 2020 年的 1811 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，该公司认为大楼内支持互联网的设备的全球市场将从 22 美元上涨。
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图 ：构建物联网有多种不同的实现方式，无线连接是一项必不可少的能力。资料来源：Memoori。

这种增长大部分来自于这样一个事实，即目前建筑系统内的连接性仅为 16%，到 ​​2025 年将增长到 50%。这种增长取决于设计人员可用技术的实施，并且有一系列低端和高标准出现。例如，B-control 是 B-control Alliance 的一个新的高级标准。这是由两家德国公司 TQ-Group 和 nxtControl 以及 VestamaTIc 和 U::Lux 推动的。该联盟是制造商之间的合作，通过在“预集成”应用程序中同步他们的单元来提供他们在建筑技术中的组件。

另一个组织EnOcean联盟有 350 家公司使用 315 MHz 未授权频段以及欧洲的 868 MHz 和美国的 902 MHz 频段，重点是使用太阳能电池等环境能源为无线节点供电，热机或来自开关的动能。这使用由 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易于互操作的设备，并且可以使用能量收集作为无线节点的电源。这允许诸如STM300之类的模块从 enOcean 可以轻松添加到设计中，但也使开发人员也可以使用自己的实现。一些联盟合作伙伴现在正在开发互联网网关，以允许这些节点有效地连接到 Building IoT 基础设施。

然而，随着 Internet 连接的出现，现在有更广泛的用于楼宇自动化的底层协议。其中许多基于 IEEE802.15.4 标准，ZigBee、6LoPAN 和 Thread 协议都使用这种方法。然而，也越来越多地使用蓝牙和 IEEE802.11 Wi-Fi 来提供这种连接。

Freescale Semiconductor的MKW2x等设备解决了包括楼宇自动化在内的许多物联网监控应用。它们可以在 1 GHz 以下和 2.4 GHz 未授权频段运行，并实现 802.15.4、ZigBee 和 Thread 协议栈。MKW2x 是一款低功耗、紧凑型集成设备，由一个符合 2.4 GHz IEEE802.15.4 标准的无线电收发器与一个具有连接性和精密混合信号模拟外设的 ARM Cortex-M4 微控制器组成。

这些设备用于轻松实现基于 ZigBee Pro 网络堆栈和楼宇自动化应用配置文件的连接，以及 ZigBee IP 网络堆栈和智能能源 2.0 应用配置文件，允许在节点之间轻松传输数据。

该微控制器允许实施不同的协议，其中高达 512 KB 的闪存用于程序存储和 64 KB 的 SRAM 用于代码执行。但是，它还包括一个 16 位模数转换器以简化节点的设计，以及一个加密加速模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 的通道抑制，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搜索模式下为 15 mA。

尺寸对于构建控制也很重要，因为无线节点必须适合小型设备。MKW2x 采用 8 x 8 mm LGA 封装，总共有 63 个触点，工作电压在 1.8 V 和 3.6 V 之间。

这些并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从 3.6 GHz 到 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，这在构建有大量反射的环境中可能是一个问题。低功耗设计具有 -14 dBm 的发射功率和 31 mA 的发射电流，可实现较长的电池寿命和适合无线节点的 6 x 6 mm 小型封装尺寸。
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图 ：Decawave 的 DW1000 超宽带收发器使用 3.5 GHz 至 6.5 GHz 的频带用于低功率链路，可抵抗建筑物反射造成的多径衰落。

使用模块可以是为楼宇自动化系统的传感器或控制节点添加无线功能的有效方式。爱特梅尔的 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，以处理从 250 kb/s 到高达 2 Mb/s 的传感器数据，以及帧处理、接收器灵敏度和高发射输出功率，以实现强大的自我修复网状网络. 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传感器与系统其余部分的集成。使用 802.4.15 网状网络协议可以轻松地将其他节点添加到网络中，因为节点通过最近的邻居进行通信。这为楼宇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。

紧凑型模块的尺寸为 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。这可以用来扩展链路的范围，以便使用更少的节点，或者通过让它们更靠近来降低每个节点的功率。这可能需要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，但是使用 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，随着新节点的添加，网络可以得到改进，以提供来自传感器和控制单元的数据的适当平衡，所有这些都以无线方式连接。

使用该模块的设计人员的一个关键优势是有多达 31 条可配置的通用 IO 线，因此可以引入传感器数据并将控制数据传送到执行器，例如门锁或开窗器。为了进一步简化节点的设计，每个模块都有一个预分配的 MAC 地址，可以在最终产品上使用，并且可以存储在内部 EEPROM 中。这可以极大地简化楼宇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中是开发人员为楼宇运营商节省大量成本的巨大机会。提供连接到传感器和执行器的无线节点，再加上在互联网上分析的数据以及从任何设备控制这些节点的能力，极大地提高了此类系统的功能。这可以从 315 MHz 频带一直到 6.5 GHz 提供，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，以保持尽可能长的电池寿命。