家庭自動化已成為能量收集的關鍵應用，可提供降低成本和簡化生活的能力。在住宅應用中開發(fā)此類系統(tǒng)的關鍵因素是低成本和多個供應商，為此，標準至關重要。德國能源采集專家EnOcean正在慶祝家用系統(tǒng)能源采集方面十年的專業(yè)知識，目前正在將其無線短數(shù)據(jù)包協(xié)議作為國際標準化組織（ISO）的標準采用。

ISO/IEC家庭電子系統(tǒng)（HES）的14543-3-10標準使用EnOcean協(xié)議和前三層為開發(fā)由環(huán)境供電的無線控制器提供一致的基礎。這將允許芯片供應商和模塊制造商開發(fā)將連接到使用EnOcean技術的傳感器和控制器的網(wǎng)關。通過為此類設計創(chuàng)建開放標準，EnOcean看到了數(shù)量的增加和成本的降低，以進一步推動該技術進入家庭。

圖1：用于家用電子系統(tǒng)（HES）的ISO/IEC 14543-3-10標準的EnOcean架構。

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

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

從環(huán)境中獲取能量，通過傳感器和無線連接到照明系統(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，增加了消費者的吸引力。

當然，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的無線收發(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。

對于室內照明，墊片的主要能量來源是照明系統(tǒng)本身。這可能看起來很奇怪，但是太陽能收集系統(tǒng)可以收集光線并將能量存儲在電池中，以便在天黑時使用，保持系統(tǒng)運行多年而不會有光線。

最新進展硅技術還提供更靈活，更高效的太陽能電池，并使現(xiàn)有技術更具成本效益。這為控制板的設計者提供了更多選擇，通過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單的LED來指示已經(jīng)使用了開關。更多的控制焊盤正在更多地使用電容式傳感器，這些傳感器也需要通電。

EnOcean的模塊將微能量轉換器與超低功耗電子設備和可靠的無線通信相結合。這使系統(tǒng)開發(fā)人員能夠創(chuàng)建自供電的無線傳感器解決方案，這些解決方案是有效管理家庭能源應用的基礎。這些模塊集成了能量轉換器，能量管理和無線電模塊，以及系統(tǒng)和通信軟件，使開發(fā)變得盡可能簡單。每個無線電報所需的工作能量通常只有50μW，因此可以通過壓力，運動，光線，溫度，振動甚至旋轉產生工作能量。這些模塊的室外傳輸距離可達300米，室內可達30米，可以覆蓋典型的家庭。

住宅環(huán)境設計的一個關鍵要素是可靠性。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線電環(huán)境中可靠地工作，從微波爐到無繩電話和Wi-Fi數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。 EnOcean使用經(jīng)批準用于868.3 MHz或315 MHz脈沖信號的穩(wěn)定頻率范圍供全球使用，并配有預先安排的發(fā)射器到接收器分配，具有40億個固定代碼編號，以提供這種可靠性，現(xiàn)在處于開放標準環(huán)境中。無線電使用ASK和125 Kbit/s的低數(shù)據(jù)速率來降低成本，同時隨機發(fā)送短電報以避免沖突。

EnOcean的優(yōu)勢在于三個鍵的組合技術：使用運動轉換器，太陽能電池和熱轉換器的無線傳感器;使用最佳的能源管理技術，確保設備即使是最微小的能量，也能通過無線電傳輸傳感器信息;智能軟件堆棧可實現(xiàn)模塊化，多功能和用戶友好的客戶應用集成。

EnOcean的EDK312開發(fā)套件包含低功率RF發(fā)射器模塊和Peltier效應傳感器，可捕獲熱量能源。 STM 312 RF模塊工作在868 MHz，支持各種無線傳感器。其他能量收集源如太陽能電池也可以根據(jù)家中的情況添加，使用照明本身或本地熱源為控制墊的電池供電。

圖2：EnOcean的能量收集開發(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能電池材料為設計人員提供更多選擇，并創(chuàng)建適合消費者環(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。這意味著可以生產小于1μm的薄膜并用于發(fā)電。通過使用塑料基板，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能電池技術。 IXYS的IXOLAR SolarMD可用于為墊中的無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”也可以延長運行時間，并且可以在較小的占地面積內延長電池壽命和運行時間，這可以很容易地適應便攜式產品的設計。該設計允許串聯(lián)和/或并聯(lián)靈活地連接SolarMD，以滿足特定的功率要求。

EnOcean ECT310 DC-DC轉換器的工作電壓為20 mV，與低溫的2開爾文溫差有關。成本標準Peltier元件，用作熱電發(fā)電機。 Peltier元件的兩個極板之間的溫差會產生電能，并且需要一個超低壓DC/DC轉換器將小輸出電壓升壓到大于3 V的電壓，這是標準電子電路所要求的。

該套件具有預定義的功能集，可用于能源管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸。用戶特定的應用程序可以基于Dolphin應用程序編程接口（Dolphin API）實現(xiàn)。

EnOcean使用分布式智能系統(tǒng)，以便在組件發(fā)生故障時一切都能正常工作。這意味著每個功能節(jié)點都有自己的本地處理器，可以檢測測量數(shù)據(jù)，控制能量管理和無線傳輸，并可以做出自己的決定。

各種公司已經(jīng)將EnOcean技術用于住宅照明。例如，德國的BSC計算機擁有與樓宇自動化，能源管理和環(huán)境輔助生活相關的解決方案的軟件和硬件。傳感器網(wǎng)絡基于EnOcean獨立于能源的無線技術，可用于通過智能手機，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，無論室內還是室外。

對于室內照明，Microchip的XLP 16位能量收集開發(fā)套件使用太陽能為控制系統(tǒng)提供電源，可用于住宅照明控制應用。它使用具有nanoWatt XLP技術的PIC MCU，通過太陽能電池運行，通過PICtail模塊的擴展連接器為RF收發(fā)器供電。

圖3： Microchip的XLP能量收集開發(fā)套件。

該套件以Cymbet的太陽能收集器為基礎。這適用于室內照明，并在兩個Cymbet EnerChip薄膜可充電儲能設備中捕獲，管理和儲存能量。當光線不足時，EnerChips為XLP開發(fā)板提供能量。

PIC24F微控制器使用Microchip和Cymbet開發(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還有一個帶有薄膜電池的太陽能收集板，它具有提供網(wǎng)絡節(jié)點的所有元件，該節(jié)點由大約200勒克斯的室內照明供電。該評估板非常適用于住宅照明控制板，因為它針對的是定期喚醒以測量和傳輸結果的系統(tǒng)。由于它是由能量收集源供電，因此薄膜電池的預期壽命大于15年或7000 mAh。這也意味著無線節(jié)點可以設計成非常薄的外形，因為電池高度為0.17 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能收集套件。

該系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點和EZRadioPRO USB Dongle組成，使用8051微控制器和Silicon Labs Si4431無線電，工作頻率為919.84 MHz，由太陽能收集電源供電。能量收集電源的漏電流約為3μA。這意味著只有50勒克斯照射到太陽能電池中足以在黑暗中支持控制器長達七天，或者如果經(jīng)常使用燈光則無限期地支持控制器。

夜間戶外照明對于住宅系統(tǒng)也很重要。能量收集也可以用作外部照明作為主要來源，通過相同的無線網(wǎng)絡和控制器控制燈光。這甚至可以與家庭安全系統(tǒng)相關聯(lián)。

STMicroelectronics的STEVAL-ILL022V1太陽能LED路燈控制器評估套件由80 W電池充電器和25 W LED驅動器組成。它支持最大功率點跟蹤（MPPT），通過對單元輸出進行采樣并應用正確的負載以獲得最大效率，從太陽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化了系統(tǒng)設計。通過調試LED指示燈可以輕松進行系統(tǒng)監(jiān)控。

圖5：STMicroelectronics的LED路燈控制器評估套件。

結論

住宅照明系統(tǒng)的能量收集提供了許多不同的方式來提供具有成本效益和靈活性的控制器和傳感器網(wǎng)絡。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)新提供了許多機會。使用平板電腦，智能手機或PC來控制家庭照明，可能來自世界任何地方，使家庭自動化能夠向前邁出一大步。到目前為止，已經(jīng)有專有的實現(xiàn)和無線協(xié)議?，F(xiàn)在，批準家用電子系統(tǒng)的ISO/IEC 14543-3-10標準為優(yōu)化用于能量收集源的此類系統(tǒng)的開發(fā)和成本降低提供了開放基礎。這將推動許多新的和令人興奮的產品的開發(fā)，為家庭自動化和控制照明系統(tǒng)。