今天，大多數工程師花費大量時間專注于生產節能產品。然而，在更大的方案中，即使在能源效率低下的家庭或辦公室中使用節能產品也不會對整體能耗產生太大影響。家庭和樓宇自動化是適當集成技術可以極大地影響總能量使用的地方。

直到最近，一個真正節能的家庭或建筑必須從頭開始設計，包括所有布線，有線傳感器和有線控制，以實現智能能源使用。這是多年來的絆腳石，因為它不支持改造市場。

這是低成本，可靠的無線技術發揮作用的地方。一些建筑自動化標準正在出現并競爭接受，承諾節約能源，并改善我們的生活方式，舒適性，安全性和健康。無線家庭和樓宇自動化是一個肯定會增長的領域。

本文介紹了一些新興的無線家庭和樓宇自動化標準以及用于實現這些標準的設備。

早期嘗試

家庭自動化無線連接的首次嘗試來自BSR，后來成為X-10。這些模塊化模塊插入插座，允許遠程控制和定時事件決定何時打開或關閉某些東西，以及控制白熾燈泡調光的強度等級。

通過使用電源線作為信號介質，X-10設備不需要任何新的通信線路，因此稱自己為無線。雖然按照現行標準粗略，但這些設備有些有效，盡管當控制器處于電力線的不同相位而不是受控設備時存在問題。

另外兩個因素不允許X-10設備成為有效能源管理系統中的真正競爭者。首先，通信速率慢（低于300波特），其次，通信只能從控制器發送到設備而不能回到控制器。這意味著控制系統在任何時候都缺乏關于系統真實狀態的任何知識。如果您不知道什么是開啟和什么關閉，您如何進行負載平衡，調度和峰值需求加載處理？

盡管如此，單向定時和順序事件可以為節省能源做很多事情。離開家時只需一個按鈕即可確?？Х葔仃P閉，燈關閉，立體聲和電視關閉，一切都很安全。進入時也是如此 - 單個開關可以打開所有燈以確保安全。

家庭自動化的真正好處只有在智能建筑結構中才能實現。為了實現這一目標，嵌入式無線傳感器，執行器，用戶界面，顯示器和處理器都需要以統一和標準化的方式協同工作。和諧只發生在每個人都在調和的時候。這就是新興協議希望進入的地方。

經過這么多年后仍然在脈動？電力線調制作為一種“無線”形式仍在使用，并且當與RF技術相結合時，創造了一種低成本的改造解決方案。例如，INSTEON?模塊可與131.65 kHz調制電源線以及904 MHz RF配合使用，以創建雙頻網狀網絡拓撲，其中電源線和RF相結合，可解決一些固有的X-10問題。對于照明控制，設備控制，加熱和冷卻非常有用，節點可以是控制器，中繼器或終端設備，并且該設備向后兼容X-10。

其他像RFXCOM，WGL＆amp; Associates和Z-Wave仍然為混合混合網絡拓撲提供X-10支持和支持。ZM310-CME1（見圖1）及其10個I/O，UART，SPI，Triac驅動器和A/D輸入，可以很好地承擔許多電池供電的傳感器網絡和執行器智能家居和建筑物的控制器。

ZM310-CME1還支持Z-Wave的國際頻率標準，如歐洲868.4 MHz，美國908.4 MHz和澳大利亞921.4 MHz頻段，使其可在整個國際市場上使用。

圖1：基于8051的ZM3102N Z-Wave模塊實現了Z-Wave協議，并為OEM家庭自動化應用提供閃存和用戶SRAM。 （由Sigma Designs，Inc。提供）

新的孩子們在街區

新一代RF無線協議和標準針對家庭和樓宇自動化以及健身，健康，媒體控制，生活方式，和更多。通過嘗試將它們聯系在一起，希望有多個合作伙伴開發可互操作的系統。

隨著半導體制造商和產品設計公司開始接受它，一種開始受到關注的協議是ANT +協議和標準。

ANT和ANT +機芯始于專有無線傳感器機芯，旨在協調和收集運動器材，心率監測器以及其他健康和保健應用的數據。小而簡單的堆棧大小，以及創建復雜網絡拓撲的能力，創建了一個開發組織--ANT + Alliance，Garmin的間接子公司 - 指定數據通信和配置文件以實現互操作性。 ANT +可以使用其基本節點和集線器實現點對點，星形，樹形和網狀網絡拓撲（參見圖2）。

圖2：從點對點到復雜的網絡拓撲，ANT +協議實現了非常靈活的網絡拓撲部署，包括在關鍵節點無法訪問時提供備用路由的能力。 （由Dynastream Innovations，Inc。提供）

ANT +使用64位網絡安全密鑰為最多232地址提供支持。它支持單向和雙向通信，并且設計為在標準CR2032紐扣電池上運行大約四年。

一個關鍵的好處是簡化的OSI網絡模型，它允許更簡單，代碼更少的軟件堆棧（參見圖3）。因此，剛剛開發ANT +應用程序的半導體供應商很可能會免費向使用其芯片的設計人員提供軟件IP。

圖3：ANT +協議的簡化網絡模型意味著可以使用代碼空間更少的較小MCU來降低成本，特別是對于小型，低功耗的傳感器和執行器。 （由Dynastream Innovations，Inc。提供）

ANT + Alliance的300名成員包括幾家半導體設備制造商，他們開始為希望將ANT +納入其產品的設計人員提供直接的應用支持。 ANT +非常適合許多家庭和樓宇自動化應用，因為嵌入在結構中的簡單傳感器可以是低功耗，小型，并且使用小型處理器而無需大量閃存或RAM。

松下ENW-89827A2JF是一個可集成模塊的示例，可以快速下載到您的應用程序中（參見圖4）。作為該公司PAN1327系列的成員之一，2.4 GHz表面貼裝模塊的電壓范圍為1.7至4.8伏，并支持藍牙和ANT協議，同時支持高達4 Mbits/sec的數據速率。

Dynastream還提供帶有2.4 GHz ANTC782M5IB模塊的ANT +收發器，可提供高達1 Mbit/sec的可用數據速率。這些模塊基于TI的芯片，如CC2567，CC2570和CC2571 ANT RF網絡處理器。

圖4：Panasonic ENW-89827A2JF是該公司用于ANT +的PAN1327嵌入式RF模塊系列的一個示例。 （由松下提供）

大卡胡納斯

到目前為止，部署最廣泛的非Wi-Fi個人局域網（PAN）設備是藍牙。然而，耳機現在推出了v4.0規范中最新的藍牙低功耗（LE）部分（參見Low-Energy Bluetooth Gets Personal）。因此，藍牙LE可能是家庭和樓宇自動化的強大競爭者，特別是當與手機配合使用時。

另一方面，許多半導體制造商都在關注ZigBee?的新興受歡迎程度。數十家半導體制造商提供針對ZigBee設計定制的芯片。

扮演類似于Wi-Fi聯盟的角色，ZigBee聯盟負責ZigBee兼容設備必須遵守的IEEE 802.15.4標準規范。與其他無線標準一樣，ZigBee在UHF ISM頻段運行，提供高達250 Kbits/sec的可用數據速率。

協議的靈活架構允許它以點對點，星形，樹形和網狀配置運行，要求每個網絡都有一個協調器控制器。

靈活的路由，處理復雜和潛在巨大網絡的能力，以及大量可用設備都是ZigBee的優勢。不幸的是，ZigBee的網絡堆棧是粘貼到MCU中的大量代碼。因此，嵌入式ZigBee應用可能需要按比例縮小的配置文件或更大的MCU（參見圖6）。

圖6：ZigBee提供了很多靈活性和互操作性，但使用了更大，更復雜的堆棧，必須存在于本地MCU的代碼區域內。 （由ZigBee聯盟提供）

幸運的是，只要您使用他們的芯片，大多數半導體制造商都會提供免版稅或免許可證的堆棧代碼。

例如，Microchip MRF24J40是一款單芯片802.15.4 2.4 GHz收發器，具有集成的MAC/PHY功能，可通過其SPI接口充當RF外設。與其他功率優化器件一樣，MRF24J40使用20 MHz晶振進行操作，32.768 kHz晶振用于實時時鐘和低功耗睡眠模式。與其他芯片制造商一樣，Microchip為ZigBee提供免費下載的堆棧，以及Microchip專有的MiWi和MiWi P2P協議棧。

Atmel還通過其RF微型和RF收發器（如AT86RF231-ZU單芯片2.4 GHz收發器）為ZigBee提供支持，該收發器也使用SPI作為外部MCU接口。除ZigBee外，AT86RF231還支持RF4CE（ZigBee的遠程控制子集），WirelessHART（工業自動化協議），6LoWPAN（無線格式的IP V6），以及支持專有的無線ISM頻段開發。來自Atmel的A發布在Digi-Key網站上，該網站突出了Atmel的RF解決方案。

恩智浦也是ZigBee領域的一員，在單芯片中采用JN5148-001-X MCU和收發器。低功耗片上32位RISC控制器與片上802.15.4 RF部分和各種外設緊密配合，為ZigBee和其他2.4 GHz無線鏈路提供單芯片RF解決方案。

JN5148的一個有趣特性是，該芯片不僅可以使用32.768 kHz晶振進行低功耗操作，而且可以在低至4 kHz的電流下工作，當不需要RTC精度時，可以進一步降低功耗。外部中斷可用于事件檢測，保持功率盡可能低，直到微控制器需要喚醒。協議棧庫也可用于加速開發。

圖7：恩智浦RF收發器具有豐富的外設，以及802.15.4收發器和32位RISC控制器。 （由NXP Semiconductors提供）

其他肯定會出現的問題這里提到的協議是迄今為止自動化和能源管理中最常被討論和支持的協議，但這些協議絕不是唯一的選擇。其他人肯定會出現，而其他現有無線協議（如Wi-Fi）的使用甚至可能會蓬勃發展。

Wi-Fi可能不是最具成本效益的解決方案，從性能的角度來看，從低功耗睡眠狀態喚醒時可能需要更多的設置時間，但是有些人可能會覺得需要在現有的情況下工作Wi-Fi網絡。無論哪種方式，依靠半導體制造商提供最新的可互操作解決方案，簡化了設計工程師所需的學習曲線和工具。這也簡化了未來的合規性，特別是隨著規范的發展。一個典型的例子是新的ZigBee Smart Energy V2.0規范，該規范定義了一種基于IP的協議，旨在實現能量傳輸，使用和監控。隨著芯片的推出，它為新協議提供了芯片級支持，工程師應該發現它可以直接利用新功能。

這引出了另一個有趣的觀點。您無需為任何這些標準實施整個協議。如果您愿意，可以創建自己的高級協議和數據結構，這些協議和數據結構可以通過基本傳輸層。這是縮小其他完整網絡模型以使其更適合嵌入式應用程序的一種方法。

在不利方面，這樣做可能會阻止您的設備與其他符合標準的設備通信。如果互操作性很重要，那么實現完整堆棧就是最佳選擇。