家庭自動(dòng)化已成為能量收集的關(guān)鍵應(yīng)用，可提供降低成本和簡(jiǎn)化生活的能力。在住宅應(yīng)用中開(kāi)發(fā)此類(lèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素是低成本和多個(gè)供應(yīng)商，為此，標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。德國(guó)能源采集專(zhuān)家EnOcean正在慶祝家用系統(tǒng)能源采集方面十年的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，目前正在將其無(wú)線短數(shù)據(jù)包協(xié)議作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的標(biāo)準(zhǔn)采用。

ISO/IEC家庭電子系統(tǒng)（HES）的14543-3-10標(biāo)準(zhǔn)使用EnOcean協(xié)議和前三層為開(kāi)發(fā)由環(huán)境供電的無(wú)線控制器提供一致的基礎(chǔ)。這將允許芯片供應(yīng)商和模塊制造商開(kāi)發(fā)將連接到使用EnOcean技術(shù)的傳感器和控制器的網(wǎng)關(guān)。通過(guò)為此類(lèi)設(shè)計(jì)創(chuàng)建開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，EnOcean看到了數(shù)量的增加和成本的降低，以進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)進(jìn)入家庭。

圖1：用于家用電子系統(tǒng)（HES）的ISO/IEC 14543-3-10標(biāo)準(zhǔn)的EnOcean架構(gòu)。

更密切地控制家庭中的照明系統(tǒng)有助于減少電費(fèi)和能量收集扮演一個(gè)重要角色。能夠在家中靈活放置控制墊是一項(xiàng)重要的要求;很少有消費(fèi)者想要改變房間的美觀，只需將設(shè)備放在插座附近或有可見(jiàn)的布線。

所有這些都可以通過(guò)傳感器和無(wú)線鏈路網(wǎng)絡(luò)控制，由控制板本地定向或者來(lái)自可以鏈接到公司網(wǎng)絡(luò)的中央應(yīng)用程序。該控制網(wǎng)絡(luò)還可以包括室外照明，在夜間提供安全性和安全性，同時(shí)最大限度地降低運(yùn)行成本。

從環(huán)境中獲取能量，通過(guò)傳感器和無(wú)線連接到照明系統(tǒng)的電源控制板可以提供最終可以靈活地將墊子放置在最有效使用的位置。這避免了在家中安裝額外數(shù)據(jù)布線的復(fù)雜，混亂且通常昂貴的需求。使用能量收集還消除了更換控制板中電池的需要，增加了消費(fèi)者的吸引力。

當(dāng)然，燈主要由主電源供電，但微控制器的持續(xù)功耗降低最新工藝技術(shù)的無(wú)線收發(fā)器將連接控制板的能量需求降低到可以從環(huán)境中提供電力的程度。

對(duì)于室內(nèi)照明，墊片的主要能量來(lái)源是照明系統(tǒng)本身。這可能看起來(lái)很奇怪，但是太陽(yáng)能收集系統(tǒng)可以收集光線并將能量存儲(chǔ)在電池中，以便在天黑時(shí)使用，保持系統(tǒng)運(yùn)行多年而不會(huì)有光線。

最新進(jìn)展硅技術(shù)還提供更靈活，更高效的太陽(yáng)能電池，并使現(xiàn)有技術(shù)更具成本效益。這為控制板的設(shè)計(jì)者提供了更多選擇，通過(guò)具有更大面積的單元或更小效率的單元為系統(tǒng)提供電力。這取決于可用空間，單元外觀和典型用途。一些控制板可能具有需要供電的小型顯示器，其他控制板可能僅使用簡(jiǎn)單的LED來(lái)指示已經(jīng)使用了開(kāi)關(guān)。更多的控制焊盤(pán)正在更多地使用電容式傳感器，這些傳感器也需要通電。

EnOcean的模塊將微能量轉(zhuǎn)換器與超低功耗電子設(shè)備和可靠的無(wú)線通信相結(jié)合。這使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng)建自供電的無(wú)線傳感器解決方案，這些解決方案是有效管理家庭能源應(yīng)用的基礎(chǔ)。這些模塊集成了能量轉(zhuǎn)換器，能量管理和無(wú)線電模塊，以及系統(tǒng)和通信軟件，使開(kāi)發(fā)變得盡可能簡(jiǎn)單。每個(gè)無(wú)線電報(bào)所需的工作能量通常只有50μW，因此可以通過(guò)壓力，運(yùn)動(dòng)，光線，溫度，振動(dòng)甚至旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生工作能量。這些模塊的室外傳輸距離可達(dá)300米，室內(nèi)可達(dá)30米，可以覆蓋典型的家庭。

住宅環(huán)境設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵要素是可靠性。可以有許多傳感器用于控制許多照明系統(tǒng)，所有這些都必須在包括許多其他噪聲的無(wú)線電環(huán)境中可靠地工作，從微波爐到無(wú)繩電話和Wi-Fi數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。 EnOcean使用經(jīng)批準(zhǔn)用于868.3 MHz或315 MHz脈沖信號(hào)的穩(wěn)定頻率范圍供全球使用，并配有預(yù)先安排的發(fā)射器到接收器分配，具有40億個(gè)固定代碼編號(hào)，以提供這種可靠性，現(xiàn)在處于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中。無(wú)線電使用ASK和125 Kbit/s的低數(shù)據(jù)速率來(lái)降低成本，同時(shí)隨機(jī)發(fā)送短電報(bào)以避免沖突。

EnOcean的優(yōu)勢(shì)在于三個(gè)鍵的組合技術(shù)：使用運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器，太陽(yáng)能電池和熱轉(zhuǎn)換器的無(wú)線傳感器;使用最佳的能源管理技術(shù)，確保設(shè)備即使是最微小的能量，也能通過(guò)無(wú)線電傳輸傳感器信息;智能軟件堆棧可實(shí)現(xiàn)模塊化，多功能和用戶(hù)友好的客戶(hù)應(yīng)用集成。

EnOcean的EDK312開(kāi)發(fā)套件包含低功率RF發(fā)射器模塊和Peltier效應(yīng)傳感器，可捕獲熱量能源。 STM 312 RF模塊工作在868 MHz，支持各種無(wú)線傳感器。其他能量收集源如太陽(yáng)能電池也可以根據(jù)家中的情況添加，使用照明本身或本地?zé)嵩礊榭刂茐|的電池供電。

圖2：EnOcean的能量收集開(kāi)發(fā)套件。

這可能包括Sanyo AM-5902CAR，它使用基于非晶硅而非晶體硅的柔性太陽(yáng)能電池材料為設(shè)計(jì)人員提供更多選擇，并創(chuàng)建適合消費(fèi)者環(huán)境的控制單元。

非晶硅可以吸收更多光線，使電池在給定功率輸出下更薄。這意味著可以生產(chǎn)小于1μm的薄膜并用于發(fā)電。通過(guò)使用塑料基板，該薄膜可以制成柔性，用于收集光能為控制器墊供電。

也可以使用其他太陽(yáng)能電池技術(shù)。 IXYS的IXOLAR SolarMD可用于為墊中的無(wú)線傳感器和備用電池供電。 SolarMD的電池效率通常為22％，即使在“低光照條件下”也可以延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，并且可以在較小的占地面積內(nèi)延長(zhǎng)電池壽命和運(yùn)行時(shí)間，這可以很容易地適應(yīng)便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)允許串聯(lián)和/或并聯(lián)靈活地連接SolarMD，以滿(mǎn)足特定的功率要求。

EnOcean ECT310 DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作電壓為20 mV，與低溫的2開(kāi)爾文溫差有關(guān)。成本標(biāo)準(zhǔn)Peltier元件，用作熱電發(fā)電機(jī)。 Peltier元件的兩個(gè)極板之間的溫差會(huì)產(chǎn)生電能，并且需要一個(gè)超低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器將小輸出電壓升壓到大于3 V的電壓，這是標(biāo)準(zhǔn)電子電路所要求的。

該套件具有預(yù)定義的功能集，可用于能源管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。用戶(hù)特定的應(yīng)用程序可以基于Dolphin應(yīng)用程序編程接口（Dolphin API）實(shí)現(xiàn)。

EnOcean使用分布式智能系統(tǒng)，以便在組件發(fā)生故障時(shí)一切都能正常工作。這意味著每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)都有自己的本地處理器，可以檢測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)，控制能量管理和無(wú)線傳輸，并可以做出自己的決定。

各種公司已經(jīng)將EnOcean技術(shù)用于住宅照明。例如，德國(guó)的BSC計(jì)算機(jī)擁有與樓宇自動(dòng)化，能源管理和環(huán)境輔助生活相關(guān)的解決方案的軟件和硬件。傳感器網(wǎng)絡(luò)基于EnOcean獨(dú)立于能源的無(wú)線技術(shù)，可用于通過(guò)智能手機(jī)，平板電腦，電視或PC控制家庭照明。

還有其他用于住宅照明的能量收集方法，無(wú)論室內(nèi)還是室外。

對(duì)于室內(nèi)照明，Microchip的XLP 16位能量收集開(kāi)發(fā)套件使用太陽(yáng)能為控制系統(tǒng)提供電源，可用于住宅照明控制應(yīng)用。它使用具有nanoWatt XLP技術(shù)的PIC MCU，通過(guò)太陽(yáng)能電池運(yùn)行，通過(guò)PICtail模塊的擴(kuò)展連接器為RF收發(fā)器供電。

圖3： Microchip的XLP能量收集開(kāi)發(fā)套件。

該套件以Cymbet的太陽(yáng)能收集器為基礎(chǔ)。這適用于室內(nèi)照明，并在兩個(gè)Cymbet EnerChip薄膜可充電儲(chǔ)能設(shè)備中捕獲，管理和儲(chǔ)存能量。當(dāng)光線不足時(shí)，EnerChips為XLP開(kāi)發(fā)板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet開(kāi)發(fā)的集成到控制板的Energy Conscious軟件算法監(jiān)控電源條件和容量。

同樣，Silicon Labs還有一個(gè)帶有薄膜電池的太陽(yáng)能收集板，它具有提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所有元件，該節(jié)點(diǎn)由大約200勒克斯的室內(nèi)照明供電。該評(píng)估板非常適用于住宅照明控制板，因?yàn)樗槍?duì)的是定期喚醒以測(cè)量和傳輸結(jié)果的系統(tǒng)。由于它是由能量收集源供電，因此薄膜電池的預(yù)期壽命大于15年或7000 mAh。這也意味著無(wú)線節(jié)點(diǎn)可以設(shè)計(jì)成非常薄的外形，因?yàn)殡姵馗叨葹?.17 mm，可以放入適合控制板的小外殼中，可輕松安裝在辦公環(huán)境中的任何位置。

圖4：Silicon Labs的帶有薄膜電池的太陽(yáng)能收集套件。

該系統(tǒng)由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和EZRadioPRO USB Dongle組成，使用8051微控制器和Silicon Labs Si4431無(wú)線電，工作頻率為919.84 MHz，由太陽(yáng)能收集電源供電。能量收集電源的漏電流約為3μA。這意味著只有50勒克斯照射到太陽(yáng)能電池中足以在黑暗中支持控制器長(zhǎng)達(dá)七天，或者如果經(jīng)常使用燈光則無(wú)限期地支持控制器。

夜間戶(hù)外照明對(duì)于住宅系統(tǒng)也很重要。能量收集也可以用作外部照明作為主要來(lái)源，通過(guò)相同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和控制器控制燈光。這甚至可以與家庭安全系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。

STMicroelectronics的STEVAL-ILL022V1太陽(yáng)能LED路燈控制器評(píng)估套件由80 W電池充電器和25 W LED驅(qū)動(dòng)器組成。它支持最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），通過(guò)對(duì)單元輸出進(jìn)行采樣并應(yīng)用正確的負(fù)載以獲得最大效率，從太陽(yáng)能電池板獲得最大可能的功率。 LED燈的恒定電流控制和電池充電控制簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)調(diào)試LED指示燈可以輕松進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控。

圖5：STMicroelectronics的LED路燈控制器評(píng)估套件。

結(jié)論

住宅照明系統(tǒng)的能量收集提供了許多不同的方式來(lái)提供具有成本效益和靈活性的控制器和傳感器網(wǎng)絡(luò)。能夠避免更換電池并將控制器和傳感器放置在家中的任何地方，這為創(chuàng)新提供了許多機(jī)會(huì)。使用平板電腦，智能手機(jī)或PC來(lái)控制家庭照明，可能來(lái)自世界任何地方，使家庭自動(dòng)化能夠向前邁出一大步。到目前為止，已經(jīng)有專(zhuān)有的實(shí)現(xiàn)和無(wú)線協(xié)議。現(xiàn)在，批準(zhǔn)家用電子系統(tǒng)的ISO/IEC 14543-3-10標(biāo)準(zhǔn)為優(yōu)化用于能量收集源的此類(lèi)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和成本降低提供了開(kāi)放基礎(chǔ)。這將推動(dòng)許多新的和令人興奮的產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，為家庭自動(dòng)化和控制照明系統(tǒng)。