几年前,M2M通讯还是个需要复杂网络技术的高成本利基型应用。但随着技术的发展以及灵活的云端服务能力,利用无线模组已经使得基础架构与产品二者以极具成本效益的方式为M2M提供大量信息成为可能。
这些器件之间的相互连接越紧密,对技术灵活度的要求就更高。这是能量采集无线技术越来普遍地应用于M2M设备、产品和建筑物自动化系统的主要原因。
目前,M2M被认为是一个具有未来发展潜力且被寄予厚望的成长市场。根据多家市场研究机构的成长预期,连接到网际网络的M2M设备将从超过3亿台迅速飙升到约500亿台。部署这些数以百万计的分布式设备将带来诸多挑战:如何为其供电?它们之间如何通讯?解决办法之一就是能量采集无线技术。
无线传感器和中继接收器可实现智能节点的简易部署,但无线设备需要电能──过去,这意味着还必须安排许多缆线或安装与更换电池。由能量收集供电的设备不需维护、去掉了电池或其它外部能量来源,因而能够为未来更简单地安装数百万互连与连网设备而铺路。
取自周围环境的能量
基于能量收集原理,无线模组从周围环境获取能量,因而不需要电池就能正常作业。在能量收集过程中,电能/动能转换器利用机械运动收集能量或以小型太阳能模组收集光发出的能量。集成热/电转换器与DC/DC转换器的能量收集技术可将热能转换为电能。即使收集到少量电能也足以发送无线信号。增加电容器可确保在仅收集到少量或未收集到电能时,仍有充足的电能储存来满足这些时段的要求。
为了获得最佳的射频(RF)效率,包括ISO/IEC 14543-3-10标准等无线协议采用了1GHz以下频段。这使其得以避免受到其它无线发射器的干扰,同时还可提供快速的系统响应以及规避了数据冲突。此外,在相同能量预算下,1GHz以下频段的传送距离是2.4GHz频段的两倍,而且在建筑物内也具有更好的穿透性。
在覆盖同一区域的情况下,在2.4GHz系统复制能量收集无线系统时,所需的接收节点是1GHz以下频段的四倍。例如,相较于1GHz以下方案,2.4GHz系统的成本增加了。但可确保射频的可靠性,因为无线讯号的持续时间只有0.7毫秒,而且必须多次重複发送。在开放空间中,能量收集无线传感器的传输范围约为300公尺;而在建筑物内则可达30公尺。
为建筑物自动化提供M2M模式
针对像无线传感器网络等低功耗电子系统中,能量收集设备在作为电池替代技术方面特别具有吸引力,因为电池供电系统涉及采购、安装和更换电池等耗时的工作。如今,能量收集无线技术已发展得非常完善,能够为建筑物自动化领域提供M2M解决方案,将光源控制、HVAC以及建筑领域等其它技术带入智慧家庭、智能电表与能源管理系统中。
无线和无电池技术几乎不用改动现有的系统就能显着简化建筑物的能源监控和控制。无线设备的安装方式十分灵活,所以,单一器件、墙式开关、传感器和中继接收器等能够方便地联网以形成一个智能系统,而无需复杂的布线安装。此外,它还去掉了电池,因而也就避免了必须定期(甚至可能需要一年一次)更换电池的负担。
HVAC控制就是这种弹性自动化系统的例子。VAV(可变风量)空调系统或送风机控制器等接收来自于无电池传感器的占用空间、温度、湿度、窗户位置或CO2等有关信息,并控制散热器内阀门启动器的开/关、或VAV系统的节气阀。同时,控制器将状态信息发送到中央建筑物自动化系统,并从BAS系统接收控制信息。这使得用户在远离建筑物时,仍能通过中央系统对其进行监控,同时还能完成整个建设物范围的控制;例如在放假时关闭相关系统。
实现智能化的自供电设备。利用能量收集技术的进步,可为相关产品开发带来巨大进展。例如,Kieback & Peter推出自供电散热器阀门,利用热水和周遭空气的温差来产生电能。这种电能既能用于与控制器或BAS系统的通讯供电,又可用于开/关阀门。这些无线设备不必使用线缆或电池,还特别易于安装,而且也无需维护。
在未来的最佳化系统中,诸如锅炉或空气处理单元等中央设备被集成于这种无线通讯系统,因而可让用户通过PC、平板电脑或智能手机连接到网际网络,根据需求调节HVAC以及实现可视化控制。
安全监控取代电池故障。电池无线技术开启的第二个应用领域是警报系统,例如水质检测器等。警报器应用对于可靠性的要求比起照明控制系统更严苛得多了。系统发生错误不仅意味着故障,还可能让依赖该系统进行监控的其它子系统导致更严重后果。事实上,电池故障导致的问题比电子部份引发的问题更多,尤其是在大型系统中。透过能量收集技术,则可克服这个问题。
四面八方汇聚云端
通过网络闸道,标准的能量收集技术还能与乙太网路、Wi-Fi、GSM/UMTS/CDMA以及其它网络相互通讯并整合于云端服务中。由无电池无线传感器收集的所有数据被加密并透过网际网络发送至云端。数据封包则采用具有128位元密钥的AES演算法进行加密。
此外,每项电子资讯都有自己的滚动码。基于滚动码和AES加密的数据封包,产生一个持续变化中的认证码,然后再经由接收系统进行验证。采用相同认证机制的还包括以无线钥匙开/关车门。如果还有更高的数据安全要求,也可整合专用加密机制。
通过TCP/IP连接控制和可视化软件的网络闸道器,适用于控制所有中继接收器与感测器,并提供双向能源管理。因此,后勤经理人、建筑物持有人以及企业可在任何时候、任何地方通过云端监控库存、设备、资产和能源等重要信息。与建筑物相关的关键数据会被自动推送到云端服务,将所有人和管理者从极具挑战性的协调和代价不菲的现场服务中解放出来。
这种云端运算方案的主要优点之一在于取得的管理系统是由制造商完全预先定制的;而现行设备则巧妙地由客户的角度进行,并从云端发送出来。用户可透过PC或智能手机,以自有的IP地址享有不受限制地远端存取其专用虚拟服务器的能力。
能量收集的大好前景
目前,对于超低功耗无线应用的需求以及在建立通讯标准方面的进步,为M2M供应商提供新商机,以实现创新与开发产品和设备。目前的国际标准正加速开发与建置与M2M环境有关的能量最佳化无线传感器与无线传感器网络。
除了已经导入家庭与建筑技等既有领域外,在智慧家庭、智能电表和智能电网等领域以及工业、物流和运输方面的应用,似乎也成为了一种水到渠成的过程。