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由于移動設備、工業應用、智能家居應用和車輛連接性的不斷提高，用于數據通信的無線技術的重要性也持續增強。 正因為如此，無線技術在 2018 年比上年增長 32%，如今已占工業網絡市場總額的 6%。 此通信介質既包括使用傳統 LTE 和未來 5G 技術的長距離無線數據傳輸，也包括通過網狀網絡進行的短距離傳輸。

幾乎每個創新智能應用均得益于這種持續改善和優化的無線技術。 某些企業正在基于這個契機開發智能傳感器和節能執行器。 例如，ZF 的能量采集開關 (EHS)。 除了電子和機械組件之外，還提供了能夠在設備之間實現數據交換的，帶有各種無線電協議的軟件。 根據應用的不同，市場上已經確立了多種無線電協議，它們具有不同的屬性，因此各自具有優缺點。 在本文中，將使用 ZF 的能量自給自足型無線開關作為示例，來演示一些最重要的設計參數以及它們之間的關聯。

比較： 長距離與短距離無線電頻率

長距離數據傳輸通過 LTE 以及未來的 5G 技術進行。 由于其 1 到 10 千米的長距離以及 100,000 kbps (LTE) 到高達 2,000,000 kbps (5G) 的高數據速率，這種無線技術找到了很寬的應用光譜。 其中包括車輛之間的通信、無人駕駛的運輸系統、操作無人機、自動駕駛和虛擬/增強現實。 這種無線技術的優勢在于，可以長距離傳輸大量數據。
網狀網絡的距離范圍相比 5G 來說要小，在樓宇內大約為 10 米，在室外可達 500 米。 數據速率也低很多，為 0.5 到 100 kbps。 然而與 LTE 或 5G 不同，網狀網絡沒有傳輸費用，另外能耗也低很多。 因此，網狀網絡主要用于樓宇管理、照明控制和監控等智能家居領域。 網狀網絡的一個重要特性是其分散式體系結構。 通過傳感器和執行器的網狀連接形式，存在多個通信路徑在源頭和配對的最終設備之間傳輸信息。 此技術不但會擴大傳輸范圍，而且可以改善傳輸可靠性。

能量采集開關 – 用于樓宇自動化的絕佳解決方案

ZF 的能量自給自足型無線開關無需電池，可用于在網狀網絡的無線基礎架構中觸發動作，還可以用于點對點通信。 在此應用中，該開關的能量采集技術非常出色。 僅需按動開關這種機械致動即可發出可靠的多冗余無線電信號。 此信號包含在相連設備之間進行通信所需的所有基本信息。 市場上有多種類型的協議用于數據通信。 最受歡迎和最知名的是 W-LAN、WIFI 和藍牙，另外還有 ZigBee、KNX RF、EnOcean 和 Z-Wave。 具有如此多種不同協議的原因在于，它們具有不同的屬性。 根據應用和最終設備的不同，不同的協議具有各自的特點，其合適度也有所差別。 ZF 的能量采集開關 (EHS) 可以廣泛使用。 它已經支持多種知名的協議標準，如 KNX RF、藍牙、EnOcean 和 ZigBee。
到目前為止，ZF EHS 也是唯一一款無需電池或外部電源即可若干次冗余性 (>7) 發出 KNX RF 電報的無線開關。 為此，ZF 需使用安森美半導體提供的微型芯片。 此芯片耗能極低，非常適用于此應用。 因此，該開關可靈活集成到幾乎每個系統中 – 無論是智能家居、工業應用，還是微觀移動/電動自行車等領域。

ZF 能量采集開關的功能和設計參數

每種標準協議均基于一個支持信息交換和傳輸的固定頻帶。 每個地區均具有自己的批核標準，包括可以使用哪個頻率范圍的相關信息，每個國家/地區也具有自己的首選無線電協議。 這具體取決于行業細分市場及其具體要求，以及可以使用哪種協議來滿足這些要求，因為各種協議的特性不同。 例如在樓宇自動化中，歐洲已經確立 KNX RF 的頻率為 868MHz，因為此頻率可以很好地穿過墻壁和障礙物。 因此，開發新的無線電應用（如 EHS）之前，首先需要確定目標市場。
確定的頻率不但會影響發出電報所需的能量，而且會影響無線電范圍和天線設計。 因此，所選擇的協議對能量轉換器開發工作、所需能量管理和 EHS 的無線電技術影響巨大。
因為我們的目的是要使用一個通用型能量自給自足的無線電開關，所以此開關必須能夠兼容市場上目前可用的大多數重要標準協議。 這需要該開關能夠產生一定的最低能量來發出相應的路由協議。

協議相當于系統內的不同設備用作溝通介質的一種語言。 該信息本身通過以相應語言表示的電報進行傳輸。 電報長度根據協議的不同而不同。 其規則如下： 電報越長，所需能量越多。

另一個參數是數據速率（每秒傳輸的比特數），由協議類型定義。 頻率越高，數據速率越高。 電報長度和數據速率又會影響數據傳輸時間。 此參數表明將電報從發送方發送到配對接收方所需的時間。

頻率范圍

每種無線電協議均基于一定的頻率范圍。 所謂的 ISM 頻帶指的是無需任何許可或批準即可使用的頻率范圍。 VO Funk 在全球范圍內運行，根據國際法對無線電服務和無線電頻率的使用進行監管。 根據 VO Funk 的規定，以下頻帶在全球范圍識別為 ISM 頻帶：

A 型： 頻率必須由相應的地區機構進行批準。

B 型： 特定地區批準的自由使用頻率范圍。

除了 ISM 頻帶之外，還有一些頻率范圍被保留專用于特定的地區，根據法律規定而不同。 例如，從 863 到 870 MHz 的 SRD 頻帶可用于歐洲和亞洲。 全球范圍內的大多數設備的運行頻率為 433 MHz（ISM 頻帶地區 1)、868 MHz（SRD 頻帶歐洲和亞洲）或 915 MHz（ISM 頻帶地區 2）。
頻率 2.4 GHz 是最常見的頻率范圍，可視為國際標準。 廣泛使用此頻率的原因在于它無需許可，可在所有地方使用。 這就意味著很多無線電網絡可基于此頻率范圍運行，包括 W-LAN / WIFI、ZigBee 和藍牙。 因此使用這些協議進行通信的設備最多。 其問題在于，無線網絡的速度和穩定性取決于特定頻帶使用的強度。 在同一個頻率下使用的無線技術越多，該頻帶受到干擾的可能性就越大。

根據 CEPT 的建議，在歐洲和亞洲使用 ISM 頻帶 868 MHz。 在智能家居行業，最常見的 KNX RF 協議在此頻帶運行。 由于其干擾可能性較低、傳輸范圍更大和障礙物穿透性更強等優勢，EnOcean 和 Z-Wave 等其他標準協議也依賴于此頻率范圍。

在美國，ISM 頻帶 915 MHz 已經獲得批準。 EnOcean 和 Z-Wave 等標準協議也基于此頻率范圍運行。

標準協議

目前存在很多不同的標準協議。 尤其智能家居行業比較有意思，因為該行業一直處于變化之中，且使用大量不同的協議類型。 很多公司均啟動了很多創新型產品，提供自己的專屬無線電協議將客戶與其產品進行綁定。

另外，耗電量也是一個流行話題，其目的是要盡可能消耗最少的能量。 EHS 也追求這個目標，可在無附加能源的情況下運行。 但也正因為如此，導致其只能在單向通信系統中運用。 所謂單向，指的是該開關只能在必要時通過機械致動發送信號，而無法接收返回的信號 – 因此只能單純用作一個無線電發送器。 例如，Z-Wave 無線協議是一種雙向無線通信技術。 發送器每次都會從接收器收到接收確認。 因此提高了傳輸可靠性。 但是，此類發送器需要一個固定的附加電源來進行信號檢測。

選擇恰當的無線電協議取決于應用要求。 這些要求可能是所傳輸的數據量、傳輸安全性或者距離范圍等。 下面是 EHS 可兼容的標準協議，因為它們與 ZF 的目標市場一致。

KNX RF

KNX RF 是用于智能家居和樓宇自動化的一種無線通信協議。 KNX 協會在 190 個國家/地區擁有 80,000 多個合作伙伴。

KNX RF 的優點在于它與知名的 KNX TP（雙絞線）系統之間的完全兼容性。 這是一個 4V 總線系統，通過電纜以高于 9,600 bps 的速率從各種不同的傳感器和執行器交換數據。

藍牙

最初藍牙形式主要用于連接耳機、麥克風、揚聲器和汽車收音機。 其中涉及連續數據流的傳輸，如音頻、音樂或電話。

藍牙的最初版本為 4.0，也稱為藍牙低能耗 (BLE)。 這是一種非常節能的藍牙形式。 因此廣泛應用于健康、運動、醫學、消費電子、家庭自動化和汽車電子等眾多領域。 藍牙的一個巨大優勢是可兼容不同公司和不同行業的多種設備。

隨著藍牙 5.0 的推出，與 4.0 版本相比，其數據交換的速度得以成倍提高，距離范圍提高四倍，傳輸能力則提高了 8 倍。 另一個優勢在于網狀運行，其中的每個藍牙設備均可轉發來自相鄰設備的數據。 另外，同一個頻率范圍內信號的干擾風險可以通過智能跳頻而得到限制，這種跳頻在自由信道上可達每秒 1,600 次。

EnOcean

EnOcean 無線協議主要用于家庭自動化，重點關注能量自給自足技術。 2012 年，該協議被批準為國際標準 ISO / IEC 14543-3-10。

ZigBee

ZigBee 是一種基于網狀網絡技術，用于室內設備通信的全球標準協議。 但是 ZigBee 的采用比較有限。 其中一個原因在于，很多設備盡管具有認證仍然無法與其他制造商的設備協同運行。 很多制造商都在努力在競爭中脫穎而出，均提供自己的專屬功能和協議。 因此，ZigBee 標準變得更為廣泛，無法再完全支持最終設備。

距離范圍

無線電信號的距離范圍一方面受波長的影響，另一方面受信號強度的影響。 一般來講，關于固定信號強度的說法如下： 頻率越高，距離范圍越小，反之亦然。 在室外，基于 868 MHz 頻率的無線電信號的范圍可能為 300 米（參考 ZF 產品）。 但是也有一些無線電信號在此頻率范圍內可以覆蓋更遠的距離。 對于 2.4 GHz 的無線電信號，一般其距離范圍大約為 100 米。

在樓宇中，信號會被障礙物阻擋，因此此范圍會大幅降低。 信號強度降級取決于障礙物的材料和厚度，以及配對傳感器和接收器設備的放置和布置。 例如，金屬和水泥的阻尼很高，而玻璃和木頭的阻尼則較低。 ZF 的 EHS 產生的傳輸強度為 0.33mWs，0 dBm 的藍牙信號在樓宇內的范圍最高可達 10 米。 一般來講，頻率越低，穿透門、墻壁和天花板的能力越強。

電報長度和結構

電報的長度和強度由標準協議規定。 例如，KNX RF 的電報長度為 35 字節，ZigBee 為 21 字節，EnOcean 為 14 字節。 一般來講，電報長度越長，發送電報所需的能量越多。

數據速率和數據傳輸時間

數據速率由協議類型確定。 它表明了從發送方向配對接收方傳輸的速度為多少 kbps。 一般來說，頻率范圍越高，數據速率越高。 尤其對于音頻數據流服務等大量數據傳輸來說更是如此，這種傳輸中的數據速率非常重要。 因此，W-Lan 無線電技術由于其較高的數據速率而在此領域領先于其他技術。

總之，數據傳輸時間對于 ZF 的 EHS 來說非常重要。 該數字可使用數據速率和電報長度進行計算。 電報越長，數據速率越低，從發送器發出所有數據所需的時間越長。 反過來說，這意味著無線電開關必須將機械致動能量轉換成電子形式，對其進行存儲并以壓縮形式傳遞，直到信號完全傳輸為止。 為了確保傳輸安全性，同一個電報應廣播三次以上。

結論

在樓宇自動化、智能家居和工業應用領域，根據具體要求的不同，各種不同類型的協議都有自己的優缺點。 因此，安裝無線網絡之前，必須首先確定和制定具體的要求。 協議的屬性主要由基礎頻率確定。 選擇恰當協議的基本要求是傳輸安全性和可靠性、距離范圍和能效。

通過過載頻帶中的跳頻、智能網狀網絡的范圍擴展以及使用能量自給自足型無線開關來降低能耗等創新解決方案，制造商們正在不斷努力優化系統。 無線電技術的進一步發展也在幫助探索新的應用，例如使用未來的 5G 實現自動駕駛、使用藍牙使得電動自行車系統更加智能，或者通過集成式無線電傳感器來識別可用停車空間等。

A 型： 頻率必須由相應的地區機構進行批準。

B 型： 特定地區批準的自由使用頻率范圍。

除了 ISM 頻帶之外，還有一些頻率范圍被保留專用于特定的地區，根據法律規定而不同。 例如，從 863 到 870 MHz 的 SRD 頻帶可用于歐洲和亞洲。 全球范圍內的大多數設備的運行頻率為 433 MHz（ISM 頻帶地區 1)、868 MHz（SRD 頻帶歐洲和亞洲）或 915 MHz（ISM 頻帶地區 2）。
頻率 2.4 GHz 是最常見的頻率范圍，可視為國際標準。 廣泛使用此頻率的原因在于它無需許可，可在所有地方使用。 這就意味著很多無線電網絡可基于此頻率范圍運行，包括 W-LAN / WIFI、ZigBee 和藍牙。 因此使用這些協議進行通信的設備最多。 其問題在于，無線網絡的速度和穩定性取決于特定頻帶使用的強度。 在同一個頻率下使用的無線技術越多，該頻帶受到干擾的可能性就越大。

根據 CEPT 的建議，在歐洲和亞洲使用 ISM 頻帶 868 MHz。 在智能家居行業，最常見的 KNX RF 協議在此頻帶運行。 由于其干擾可能性較低、傳輸范圍更大和障礙物穿透性更強等優勢，EnOcean 和 Z-Wave 等其他標準協議也依賴于此頻率范圍。

在美國，ISM 頻帶 915 MHz 已經獲得批準。 EnOcean 和 Z-Wave 等標準協議也基于此頻率范圍運行。

標準協議

目前存在很多不同的標準協議。 尤其智能家居行業比較有意思，因為該行業一直處于變化之中，且使用大量不同的協議類型。 很多公司均啟動了很多創新型產品，提供自己的專屬無線電協議將客戶與其產品進行綁定。

另外，耗電量也是一個流行話題，其目的是要盡可能消耗最少的能量。 EHS 也追求這個目標，可在無附加能源的情況下運行。 但也正因為如此，導致其只能在單向通信系統中運用。 所謂單向，指的是該開關只能在必要時通過機械致動發送信號，而無法接收返回的信號 – 因此只能單純用作一個無線電發送器。 例如，Z-Wave 無線協議是一種雙向無線通信技術。 發送器每次都會從接收器收到接收確認。 因此提高了傳輸可靠性。 但是，此類發送器需要一個固定的附加電源來進行信號檢測。

選擇恰當的無線電協議取決于應用要求。 這些要求可能是所傳輸的數據量、傳輸安全性或者距離范圍等。 下面是 EHS 可兼容的標準協議，因為它們與 ZF 的目標市場一致。

KNX RF

KNX RF 是用于智能家居和樓宇自動化的一種無線通信協議。 KNX 協會在 190 個國家/地區擁有 80,000 多個合作伙伴。

KNX RF 的優點在于它與知名的 KNX TP（雙絞線）系統之間的完全兼容性。 這是一個 4V 總線系統，通過電纜以高于 9,600 bps 的速率從各種不同的傳感器和執行器交換數據。

藍牙

最初藍牙形式主要用于連接耳機、麥克風、揚聲器和汽車收音機。 其中涉及連續數據流的傳輸，如音頻、音樂或電話。

藍牙的最初版本為 4.0，也稱為藍牙低能耗 (BLE)。 這是一種非常節能的藍牙形式。 因此廣泛應用于健康、運動、醫學、消費電子、家庭自動化和汽車電子等眾多領域。 藍牙的一個巨大優勢是可兼容不同公司和不同行業的多種設備。

隨著藍牙 5.0 的推出，與 4.0 版本相比，其數據交換的速度得以成倍提高，距離范圍提高四倍，傳輸能力則提高了 8 倍。 另一個優勢在于網狀運行，其中的每個藍牙設備均可轉發來自相鄰設備的數據。 另外，同一個頻率范圍內信號的干擾風險可以通過智能跳頻而得到限制，這種跳頻在自由信道上可達每秒 1,600 次。

EnOcean

EnOcean 無線協議主要用于家庭自動化，重點關注能量自給自足技術。 2012 年，該協議被批準為國際標準 ISO / IEC 14543-3-10。

ZigBee

ZigBee 是一種基于網狀網絡技術，用于室內設備通信的全球標準協議。 但是 ZigBee 的采用比較有限。 其中一個原因在于，很多設備盡管具有認證仍然無法與其他制造商的設備協同運行。 很多制造商都在努力在競爭中脫穎而出，均提供自己的專屬功能和協議。 因此，ZigBee 標準變得更為廣泛，無法再完全支持最終設備。

距離范圍

無線電信號的距離范圍一方面受波長的影響，另一方面受信號強度的影響。 一般來講，關于固定信號強度的說法如下： 頻率越高，距離范圍越小，反之亦然。 在室外，基于 868 MHz 頻率的無線電信號的范圍可能為 300 米（參考 ZF 產品）。 但是也有一些無線電信號在此頻率范圍內可以覆蓋更遠的距離。 對于 2.4 GHz 的無線電信號，一般其距離范圍大約為 100 米。

在樓宇中，信號會被障礙物阻擋，因此此范圍會大幅降低。 信號強度降級取決于障礙物的材料和厚度，以及配對傳感器和接收器設備的放置和布置。 例如，金屬和水泥的阻尼很高，而玻璃和木頭的阻尼則較低。 ZF 的 EHS 產生的傳輸強度為 0.33mWs，0 dBm 的藍牙信號在樓宇內的范圍最高可達 10 米。 一般來講，頻率越低，穿透門、墻壁和天花板的能力越強。

電報長度和結構

電報的長度和強度由標準協議規定。 例如，KNX RF 的電報長度為 35 字節，ZigBee 為 21 字節，EnOcean 為 14 字節。 一般來講，電報長度越長，發送電報所需的能量越多。

數據速率和數據傳輸時間

數據速率由協議類型確定。 它表明了從發送方向配對接收方傳輸的速度為多少 kbps。 一般來說，頻率范圍越高，數據速率越高。 尤其對于音頻數據流服務等大量數據傳輸來說更是如此，這種傳輸中的數據速率非常重要。 因此，W-Lan 無線電技術由于其較高的數據速率而在此領域領先于其他技術。

總之，數據傳輸時間對于 ZF 的 EHS 來說非常重要。 該數字可使用數據速率和電報長度進行計算。 電報越長，數據速率越低，從發送器發出所有數據所需的時間越長。 反過來說，這意味著無線電開關必須將機械致動能量轉換成電子形式，對其進行存儲并以壓縮形式傳遞，直到信號完全傳輸為止。 為了確保傳輸安全性，同一個電報應廣播三次以上。

結論

在樓宇自動化、智能家居和工業應用領域，根據具體要求的不同，各種不同類型的協議都有自己的優缺點。 因此，安裝無線網絡之前，必須首先確定和制定具體的要求。 協議的屬性主要由基礎頻率確定。 選擇恰當協議的基本要求是傳輸安全性和可靠性、距離范圍和能效。

通過過載頻帶中的跳頻、智能網狀網絡的范圍擴展以及使用能量自給自足型無線開關來降低能耗等創新解決方案，制造商們正在不斷努力優化系統。 無線電技術的進一步發展也在幫助探索新的應用，例如使用未來的 5G 實現自動駕駛、使用藍牙使得電動自行車系統更加智能，或者通過集成式無線電傳感器來識別可用停車空間等。