智能建筑中的无线控制装置设计

作者：European Editors
       
照明的无线控制是这场革命的关键要素，它允许多种操作模式并有助于避免浪费能源，而无需大型重新布线项目的动荡和成本。据估计，安装无线控制装置可节省高达 70% 的现有场所重新布线成本，或 15% 的新建项目布线成本。

虽然一些新房，例如高级房产，可能从一开始就设计为智能，但现有房屋可能会分阶段升级。业主可以优先考虑加热或照明系统，作为进入智能技术的简单第一步，然后可以使用其他智能功能（如电器控制器、百叶窗或门锁）扩展系统。从简单的电灯开关、墙壁插头或散热器盖到复杂的中央控制器，所有类型的智能建筑设备似乎都有一个光明的未来。这为新品牌带来了机会，通过提供技术上可能比更成熟的竞争对手提供的产品更先进或更时尚的产品来赢得市场份额。

对于希望在客户倾向于逐步将智能功能引入其建筑物的市场中取得成功的开发商而言，互操作性和共存性将是关键问题。

候选连接标准

已经提出了许多用于控制智能建筑中的灯、散热器阀门、开窗器和电器等设备的连接标准。目前市场上有认证产品的流行标准包括 EnOcean、KNX、ZigBee ®和 Z-Wave ®。

EnOcean 和 Z-Wave 在 sub-GHz 无线电频段运行。在欧洲，这是 868 MHz。Z-Wave 基于网状网络拓扑，最多支持 232 个节点。该协议在应用程序级别提供了互操作性，并且提供了许多 Z-Wave 片上系统设备，例如 Sigma Designs ZM5202。Z-Wave 堆栈位于芯片上，可通过还提供的 API 访问，这使开发人员可以简单地将应用程序加载到设备的集成程序存储器中，如图 1 所示。SoC 实现了具有所有硬件功能的单芯片解决方案，例如传感器 ADC、128 位安全加密和集成在设备中的三端双向可控硅调光器控制器。

图 1：通过提供的 API 访问 Z-Wave 协议。

EnOcean 技术基于一种极其轻量级的无线电协议，该协议使无电池模块能够从太阳能电池或其他能量收集系统（如动能转换器或 PelTIer 元件）运行，以传输包含传感器数据的短电报。对于电灯开关等项目来说，这是一个强有力的提议，它可以放置在房间的任何地方，以与使用 EnOcean TCM300U等系统模块构建的线路供电照明执行器（图 2）进行通信。EnOcean 交换机还可以轻松集成到更大的家庭自动化网络中。例如，德国 KNX 开发商 Weinzierl （www.weinzierl.de）构建了一个 EnOcean-KNX 网关，该网关接收 EnOcean 无线电报并在 KNX 总线上生成适当的信号。

图 2：无线传感器与线路供电的执行器通信。

KNX号称是全球唯一通过ISO/IEC14543-3、EN-50090（CENELEC）、EN13321-1/2（CEN）、中国家庭自动化标准GB/T20965、美国ANSI等规范认可的标准/ASHRAE 135. 与基于无线的 EnOcean、ZigBee 和 Z-Wave 标准不同，KNX 总线可以在各种媒体上运行，包括双绞线电缆 （KNX TP）、交流电源线 （KNX PL） 和以太网/Wi-Fi （ KNXnet/IP），以及在 868 MHz 频段运行的无线 （KNX RF）。KNX 协会还为设备开发人员和系统安装人员提供独立于制造商的工具。

ZigBee 家庭自动化是基于 2.4 GHz 无线电的著名 ZigBee 标准的特殊配置文件。它针对控制家庭设备进行了优化，并使用 ZigBee PRO 网状网络堆栈。ZigBee Pro 可以在多种微控制器上实现。Silicon Labs 拥有许多 ZigBee 模块，例如ETRX357，其中包含一个单芯片 ZigBee 收发器与 ZigBee PRO 兼容的 EmberZNet 网格堆栈。这些模块允许没有射频经验的开发人员将无线网络功能添加到他们的产品中。

使用选定的标准

每个标准都有自己的联盟​​或协会支持，这些联盟或协会管理技术规范以及许可证和产品认证等法律方面。认证过程确保了来自不同制造商的产品之间的互操作性。希望打入目前使用任何这些标准的市场的 OEM 必须提供其新产品设计以供认证。

通常，开发经过认证的、可互操作的设备（例如灯具、开关或调光器）的道路始于获取开发人员套件，例如RBK-ZW500DEV-CONSigma Designs 的 Z-Wave 套件。Sigma 还拥有许多成本较低的区域套件，为欧洲、北美和日本等地区的 sub-GHz 频段的不同分配提供服务。就 Z-Wave 而言，购买开发工具包还可以访问 Sigma 的 Z-Wave 软件开发工具包 SDK。SDK 允许在线访问协议库、应用程序示例和文档等资源。使用可用的工具，开发人员可以做出必要的决定，例如硬件选择、协议选择以及设备和命令的类别。完成硬件和软件开发后，即可将产品提交给 Z-Wave 联盟进行认证。

集中控制

在智能建筑中，可能需要以多种方式激活照明，而不仅限于传统的手动开关或通过壁挂式控制进行调光。中央控制器可以编程为在特定时间打开或关闭灯，或响应也构成家庭安全系统一部分的占用传感器，或响应来自环境光传感器的信号，这些信号可用于调整调光以获得最佳照明和能源效率。

此外，随着消费者越来越多地采用联网移动设备，智能建筑用户被丰富多彩的应用程序所吸引，这些应用程序允许他们通过平板电脑或智能手机控制智能建筑的各个方面，例如照明、供暖、电器和安全设置。将智能楼宇网络与互联网路由器连接起来的网关设备是实现这一功能的关键，如图 3 所示。任何智能楼宇技术都需要这样一个通往基于 IP 的域的网关，无论是否与连接到楼宇的平板电脑进行通信Wi-Fi 网络，或通过蜂窝或 Wi-Fi 热点连接到互联网的移动设备在世界任何地方。许多制造商都提供网关，这些网关适用于将 EnOcean、KNX、ZigBee 或 Z-Wave 环境等智能家居网络连接到建筑物。

图 3：将智能家居网络连接到 IP 域允许使用各种设备控制设置。

应用程序开发人员可以利用所选技术支持的功能为最终用户提供方便的功能。其中包括配置设备组以允许通过单击进行控制，或创建自定义“场景”以自动为照明、供暖和其他设备应用所需的设置。用户可以创建一个“家庭影院”场景，同时调暗灯光、关闭百叶窗、调节温度和打开平板电视，或者创建一个“去睡觉”场景来锁门、关闭窗户、关闭暖气和关掉除了卧室以外的所有灯。

结论

每个定义智能建筑内设备之间连接的标准都提供了一种结构，产品开发人员需要能够应对可量化的市场并确保与市场上其他产品的互操作性。各协会大力推广自己的标准，但开发商必须根据自己拥有的资源和对机会和竞争的准确评估来选择。