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EHS – 协议 | 频率 | 距离 | 数据速率

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EHS – 协议 | 频率 | 距离 | 数据速率

由于移动设备、工业应用、智能家居应用和车辆连接性的不断提高,用于数据通信的无线技术的重要性也持续增强。 正因为如此,无线技术在 2018 年比上年增长 32%,如今已占工业网络市场总额的 6%。 此通信介质既包括使用传统 LTE 和未来 5G 技术的长距离无线数据传输,也包括通过网状网络进行的短距离传输。

几乎每个创新智能应用均得益于这种持续改善和优化的无线技术。 某些企业正在基于这个契机开发智能传感器和节能执行器。 例如,ZF 的能量采集开关 (EHS)。 除了电子和机械组件之外,还提供了能够在设备之间实现数据交换的,带有各种无线电协议的软件。 根据应用的不同,市场上已经确立了多种无线电协议,它们具有不同的属性,因此各自具有优缺点。 在本文中,将使用 ZF 的能量自给自足型无线开关作为示例,来演示一些最重要的设计参数以及它们之间的关联。

比较: 长距离与短距离无线电频率

长距离数据传输通过 LTE 以及未来的 5G 技术进行。 由于其 1 到 10 千米的长距离以及 100,000 kbps (LTE) 到高达 2,000,000 kbps (5G) 的高数据速率,这种无线技术找到了很宽的应用光谱。 其中包括车辆之间的通信、无人驾驶的运输系统、操作无人机、自动驾驶和虚拟/增强现实。 这种无线技术的优势在于,可以长距离传输大量数据。
网状网络的距离范围相比 5G 来说要小,在楼宇内大约为 10 米,在室外可达 500 米。 数据速率也低很多,为 0.5 到 100 kbps。 然而与 LTE 或 5G 不同,网状网络没有传输费用,另外能耗也低很多。 因此,网状网络主要用于楼宇管理、照明控制和监控等智能家居领域。 网状网络的一个重要特性是其分散式体系结构。 通过传感器和执行器的网状连接形式,存在多个通信路径在源头和配对的最终设备之间传输信息。 此技术不但会扩大传输范围,而且可以改善传输可靠性。

能量采集开关 – 用于楼宇自动化的绝佳解决方案

ZF 的能量自给自足型无线开关无需电池,可用于在网状网络的无线基础架构中触发动作,还可以用于点对点通信。 在此应用中,该开关的能量采集技术非常出色。 仅需按动开关这种机械致动即可发出可靠的多冗余无线电信号。 此信号包含在相连设备之间进行通信所需的所有基本信息。 市场上有多种类型的协议用于数据通信。 最受欢迎和最知名的是 W-LAN、WIFI 和蓝牙,另外还有 ZigBee、KNX RF、EnOcean 和 Z-Wave。 具有如此多种不同协议的原因在于,它们具有不同的属性。 根据应用和最终设备的不同,不同的协议具有各自的特点,其合适度也有所差别。 ZF 的能量采集开关 (EHS) 可以广泛使用。 它已经支持多种知名的协议标准,如 KNX RF、蓝牙、EnOcean 和 ZigBee。
到目前为止,ZF EHS 也是唯一一款无需电池或外部电源即可若干次冗余性 (>7) 发出 KNX RF 电报的无线开关。 为此,ZF 需使用安森美半导体提供的微型芯片。 此芯片耗能极低,非常适用于此应用。 因此,该开关可灵活集成到几乎每个系统中 – 无论是智能家居、工业应用,还是微观移动/电动自行车等领域。

ZF 能量采集开关的功能和设计参数

Functionality-and-design-parameters

每种标准协议均基于一个支持信息交换和传输的固定频带。 每个地区均具有自己的批核标准,包括可以使用哪个频率范围的相关信息,每个国家/地区也具有自己的首选无线电协议。 这具体取决于行业细分市场及其具体要求,以及可以使用哪种协议来满足这些要求,因为各种协议的特性不同。 例如在楼宇自动化中,欧洲已经确立 KNX RF 的频率为 868MHz,因为此频率可以很好地穿过墙壁和障碍物。 因此,开发新的无线电应用(如 EHS)之前,首先需要确定目标市场。
确定的频率不但会影响发出电报所需的能量,而且会影响无线电范围和天线设计。 因此,所选择的协议对能量转换器开发工作、所需能量管理和 EHS 的无线电技术影响巨大。
因为我们的目的是要使用一个通用型能量自给自足的无线电开关,所以此开关必须能够兼容市场上目前可用的大多数重要标准协议。 这需要该开关能够产生一定的最低能量来发出相应的路由协议。

协议相当于系统内的不同设备用作沟通介质的一种语言。 该信息本身通过以相应语言表示的电报进行传输。 电报长度根据协议的不同而不同。 其规则如下: 电报越长,所需能量越多。

另一个参数是数据速率(每秒传输的比特数),由协议类型定义。 频率越高,数据速率越高。 电报长度和数据速率又会影响数据传输时间。 此参数表明将电报从发送方发送到配对接收方所需的时间。

频率范围

每种无线电协议均基于一定的频率范围。 所谓的 ISM 频带指的是无需任何许可或批准即可使用的频率范围。 VO Funk 在全球范围内运行,根据国际法对无线电服务和无线电频率的使用进行监管。 根据 VO Funk 的规定,以下频带在全球范围识别为 ISM 频带:

类型 备注
6,765 MHz 6,795 MHz A 短距离设备 (SRD)
13,553 MHz 13,567 MHz B (SRD)
26,957 MHz 27,283 MHz B (SRD)
40,66 MHz 40,70 MHz B (SRD)
433,05 MHz 434,79 MHz A SRD,仅地区1(欧洲、非洲、独联体国家和蒙古
902 MHz 928 MHz B 仅地区2(北美和南美
2.4 GHz 2.5 GHz B 特别是大量应用在移动娱乐电子产品中

 

A 型: 频率必须由相应的地区机构进行批准。

B 型: 特定地区批准的自由使用频率范围。

除了 ISM 频带之外,还有一些频率范围被保留专用于特定的地区,根据法律规定而不同。 例如,从 863 到 870 MHz 的 SRD 频带可用于欧洲和亚洲。 全球范围内的大多数设备的运行频率为 433 MHz(ISM 频带地区 1)、868 MHz(SRD 频带欧洲和亚洲)或 915 MHz(ISM 频带地区 2)。
频率 2.4 GHz 是最常见的频率范围,可视为国际标准。 广泛使用此频率的原因在于它无需许可,可在所有地方使用。 这就意味着很多无线电网络可基于此频率范围运行,包括 W-LAN / WIFI、ZigBee 和蓝牙。 因此使用这些协议进行通信的设备最多。 其问题在于,无线网络的速度和稳定性取决于特定频带使用的强度。 在同一个频率下使用的无线技术越多,该频带受到干扰的可能性就越大。

根据 CEPT 的建议,在欧洲和亚洲使用 ISM 频带 868 MHz。 在智能家居行业,最常见的 KNX RF 协议在此频带运行。 由于其干扰可能性较低、传输范围更大和障碍物穿透性更强等优势,EnOcean 和 Z-Wave 等其他标准协议也依赖于此频率范围。

在美国,ISM 频带 915 MHz 已经获得批准。 EnOcean 和 Z-Wave 等标准协议也基于此频率范围运行。

标准协议

目前存在很多不同的标准协议。 尤其智能家居行业比较有意思,因为该行业一直处于变化之中,且使用大量不同的协议类型。 很多公司均启动了很多创新型产品,提供自己的专属无线电协议将客户与其产品进行绑定。

另外,耗电量也是一个流行话题,其目的是要尽可能消耗最少的能量。 EHS 也追求这个目标,可在无附加能源的情况下运行。 但也正因为如此,导致其只能在单向通信系统中运用。 所谓单向,指的是该开关只能在必要时通过机械致动发送信号,而无法接收返回的信号 – 因此只能单纯用作一个无线电发送器。 例如,Z-Wave 无线协议是一种双向无线通信技术。 发送器每次都会从接收器收到接收确认。 因此提高了传输可靠性。 但是,此类发送器需要一个固定的附加电源来进行信号检测。

选择恰当的无线电协议取决于应用要求。 这些要求可能是所传输的数据量、传输安全性或者距离范围等。 下面是 EHS 可兼容的标准协议,因为它们与 ZF 的目标市场一致。

KNX RF

KNX RF 是用于智能家居和楼宇自动化的一种无线通信协议。 KNX 协会在 190 个国家/地区拥有 80,000 多个合作伙伴。

KNX RF 的优点在于它与知名的 KNX TP(双绞线)系统之间的完全兼容性。 这是一个 4V 总线系统,通过电缆以高于 9,600 bps 的速率从各种不同的传感器和执行器交换数据。

蓝牙

最初蓝牙形式主要用于连接耳机、麦克风、扬声器和汽车收音机。 其中涉及连续数据流的传输,如音频、音乐或电话。

蓝牙的最初版本为 4.0,也称为蓝牙低能耗 (BLE)。 这是一种非常节能的蓝牙形式。 因此广泛应用于健康、运动、医学、消费电子、家庭自动化和汽车电子等众多领域。 蓝牙的一个巨大优势是可兼容不同公司和不同行业的多种设备。

随着蓝牙 5.0 的推出,与 4.0 版本相比,其数据交换的速度得以成倍提高,距离范围提高四倍,传输能力则提高了 8 倍。 另一个优势在于网状运行,其中的每个蓝牙设备均可转发来自相邻设备的数据。 另外,同一个频率范围内信号的干扰风险可以通过智能跳频而得到限制,这种跳频在自由信道上可达每秒 1,600 次。

EnOcean

EnOcean 无线协议主要用于家庭自动化,重点关注能量自给自足技术。 2012 年,该协议被批准为国际标准 ISO / IEC 14543-3-10。

ZigBee

ZigBee 是一种基于网状网络技术,用于室内设备通信的全球标准协议。 但是 ZigBee 的采用比较有限。 其中一个原因在于,很多设备尽管具有认证仍然无法与其他制造商的设备协同运行。 很多制造商都在努力在竞争中脱颖而出,均提供自己的专属功能和协议。 因此,ZigBee 标准变得更为广泛,无法再完全支持最终设备。

距离范围

无线电信号的距离范围一方面受波长的影响,另一方面受信号强度的影响。 一般来讲,关于固定信号强度的说法如下: 频率越高,距离范围越小,反之亦然。 在室外,基于 868 MHz 频率的无线电信号的范围可能为 300 米(参考 ZF 产品)。 但是也有一些无线电信号在此频率范围内可以覆盖更远的距离。 对于 2.4 GHz 的无线电信号,一般其距离范围大约为 100 米。

在楼宇中,信号会被障碍物阻挡,因此此范围会大幅降低。 信号强度降级取决于障碍物的材料和厚度,以及配对传感器和接收器设备的放置和布置。 例如,金属和水泥的阻尼很高,而玻璃和木头的阻尼则较低。 ZF 的 EHS 产生的传输强度为 0.33mWs,0 dBm 的蓝牙信号在楼宇内的范围最高可达 10 米。 一般来讲,频率越低,穿透门、墙壁和天花板的能力越强。

电报长度和结构

电报的长度和强度由标准协议规定。 例如,KNX RF 的电报长度为 35 字节,ZigBee 为 21 字节,EnOcean 为 14 字节。 一般来讲,电报长度越长,发送电报所需的能量越多。

数据速率和数据传输时间

数据速率由协议类型确定。 它表明了从发送方向配对接收方传输的速度为多少 kbps。 一般来说,频率范围越高,数据速率越高。 尤其对于音频数据流服务等大量数据传输来说更是如此,这种传输中的数据速率非常重要。 因此,W-Lan 无线电技术由于其较高的数据速率而在此领域领先于其他技术。

总之,数据传输时间对于 ZF 的 EHS 来说非常重要。 该数字可使用数据速率和电报长度进行计算。 电报越长,数据速率越低,从发送器发出所有数据所需的时间越长。 反过来说,这意味着无线电开关必须将机械致动能量转换成电子形式,对其进行存储并以压缩形式传递,直到信号完全传输为止。 为了确保传输安全性,同一个电报应广播三次以上。

结论

在楼宇自动化、智能家居和工业应用领域,根据具体要求的不同,各种不同类型的协议都有自己的优缺点。 因此,安装无线网络之前,必须首先确定和制定具体的要求。 协议的属性主要由基础频率确定。 选择恰当协议的基本要求是传输安全性和可靠性、距离范围和能效。

通过过载频带中的跳频、智能网状网络的范围扩展以及使用能量自给自足型无线开关来降低能耗等创新解决方案,制造商们正在不断努力优化系统。 无线电技术的进一步发展也在帮助探索新的应用,例如使用未来的 5G 实现自动驾驶、使用蓝牙使得电动自行车系统更加智能,或者通过集成式无线电传感器来识别可用停车空间等。

https://switches-sensors.zf.com/cn/

A 型: 频率必须由相应的地区机构进行批准。

B 型: 特定地区批准的自由使用频率范围。

除了 ISM 频带之外,还有一些频率范围被保留专用于特定的地区,根据法律规定而不同。 例如,从 863 到 870 MHz 的 SRD 频带可用于欧洲和亚洲。 全球范围内的大多数设备的运行频率为 433 MHz(ISM 频带地区 1)、868 MHz(SRD 频带欧洲和亚洲)或 915 MHz(ISM 频带地区 2)。
频率 2.4 GHz 是最常见的频率范围,可视为国际标准。 广泛使用此频率的原因在于它无需许可,可在所有地方使用。 这就意味着很多无线电网络可基于此频率范围运行,包括 W-LAN / WIFI、ZigBee 和蓝牙。 因此使用这些协议进行通信的设备最多。 其问题在于,无线网络的速度和稳定性取决于特定频带使用的强度。 在同一个频率下使用的无线技术越多,该频带受到干扰的可能性就越大。

根据 CEPT 的建议,在欧洲和亚洲使用 ISM 频带 868 MHz。 在智能家居行业,最常见的 KNX RF 协议在此频带运行。 由于其干扰可能性较低、传输范围更大和障碍物穿透性更强等优势,EnOcean 和 Z-Wave 等其他标准协议也依赖于此频率范围。

在美国,ISM 频带 915 MHz 已经获得批准。 EnOcean 和 Z-Wave 等标准协议也基于此频率范围运行。

标准协议

目前存在很多不同的标准协议。 尤其智能家居行业比较有意思,因为该行业一直处于变化之中,且使用大量不同的协议类型。 很多公司均启动了很多创新型产品,提供自己的专属无线电协议将客户与其产品进行绑定。

另外,耗电量也是一个流行话题,其目的是要尽可能消耗最少的能量。 EHS 也追求这个目标,可在无附加能源的情况下运行。 但也正因为如此,导致其只能在单向通信系统中运用。 所谓单向,指的是该开关只能在必要时通过机械致动发送信号,而无法接收返回的信号 – 因此只能单纯用作一个无线电发送器。 例如,Z-Wave 无线协议是一种双向无线通信技术。 发送器每次都会从接收器收到接收确认。 因此提高了传输可靠性。 但是,此类发送器需要一个固定的附加电源来进行信号检测。

选择恰当的无线电协议取决于应用要求。 这些要求可能是所传输的数据量、传输安全性或者距离范围等。 下面是 EHS 可兼容的标准协议,因为它们与 ZF 的目标市场一致。

KNX RF

KNX RF 是用于智能家居和楼宇自动化的一种无线通信协议。 KNX 协会在 190 个国家/地区拥有 80,000 多个合作伙伴。

KNX RF 的优点在于它与知名的 KNX TP(双绞线)系统之间的完全兼容性。 这是一个 4V 总线系统,通过电缆以高于 9,600 bps 的速率从各种不同的传感器和执行器交换数据。

蓝牙

最初蓝牙形式主要用于连接耳机、麦克风、扬声器和汽车收音机。 其中涉及连续数据流的传输,如音频、音乐或电话。

蓝牙的最初版本为 4.0,也称为蓝牙低能耗 (BLE)。 这是一种非常节能的蓝牙形式。 因此广泛应用于健康、运动、医学、消费电子、家庭自动化和汽车电子等众多领域。 蓝牙的一个巨大优势是可兼容不同公司和不同行业的多种设备。

随着蓝牙 5.0 的推出,与 4.0 版本相比,其数据交换的速度得以成倍提高,距离范围提高四倍,传输能力则提高了 8 倍。 另一个优势在于网状运行,其中的每个蓝牙设备均可转发来自相邻设备的数据。 另外,同一个频率范围内信号的干扰风险可以通过智能跳频而得到限制,这种跳频在自由信道上可达每秒 1,600 次。

EnOcean

EnOcean 无线协议主要用于家庭自动化,重点关注能量自给自足技术。 2012 年,该协议被批准为国际标准 ISO / IEC 14543-3-10。

ZigBee

ZigBee 是一种基于网状网络技术,用于室内设备通信的全球标准协议。 但是 ZigBee 的采用比较有限。 其中一个原因在于,很多设备尽管具有认证仍然无法与其他制造商的设备协同运行。 很多制造商都在努力在竞争中脱颖而出,均提供自己的专属功能和协议。 因此,ZigBee 标准变得更为广泛,无法再完全支持最终设备。

距离范围

无线电信号的距离范围一方面受波长的影响,另一方面受信号强度的影响。 一般来讲,关于固定信号强度的说法如下: 频率越高,距离范围越小,反之亦然。 在室外,基于 868 MHz 频率的无线电信号的范围可能为 300 米(参考 ZF 产品)。 但是也有一些无线电信号在此频率范围内可以覆盖更远的距离。 对于 2.4 GHz 的无线电信号,一般其距离范围大约为 100 米。

在楼宇中,信号会被障碍物阻挡,因此此范围会大幅降低。 信号强度降级取决于障碍物的材料和厚度,以及配对传感器和接收器设备的放置和布置。 例如,金属和水泥的阻尼很高,而玻璃和木头的阻尼则较低。 ZF 的 EHS 产生的传输强度为 0.33mWs,0 dBm 的蓝牙信号在楼宇内的范围最高可达 10 米。 一般来讲,频率越低,穿透门、墙壁和天花板的能力越强。

电报长度和结构

电报的长度和强度由标准协议规定。 例如,KNX RF 的电报长度为 35 字节,ZigBee 为 21 字节,EnOcean 为 14 字节。 一般来讲,电报长度越长,发送电报所需的能量越多。

数据速率和数据传输时间

数据速率由协议类型确定。 它表明了从发送方向配对接收方传输的速度为多少 kbps。 一般来说,频率范围越高,数据速率越高。 尤其对于音频数据流服务等大量数据传输来说更是如此,这种传输中的数据速率非常重要。 因此,W-Lan 无线电技术由于其较高的数据速率而在此领域领先于其他技术。

总之,数据传输时间对于 ZF 的 EHS 来说非常重要。 该数字可使用数据速率和电报长度进行计算。 电报越长,数据速率越低,从发送器发出所有数据所需的时间越长。 反过来说,这意味着无线电开关必须将机械致动能量转换成电子形式,对其进行存储并以压缩形式传递,直到信号完全传输为止。 为了确保传输安全性,同一个电报应广播三次以上。

结论

在楼宇自动化、智能家居和工业应用领域,根据具体要求的不同,各种不同类型的协议都有自己的优缺点。 因此,安装无线网络之前,必须首先确定和制定具体的要求。 协议的属性主要由基础频率确定。 选择恰当协议的基本要求是传输安全性和可靠性、距离范围和能效。

通过过载频带中的跳频、智能网状网络的范围扩展以及使用能量自给自足型无线开关来降低能耗等创新解决方案,制造商们正在不断努力优化系统。 无线电技术的进一步发展也在帮助探索新的应用,例如使用未来的 5G 实现自动驾驶、使用蓝牙使得电动自行车系统更加智能,或者通过集成式无线电传感器来识别可用停车空间等。

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2019-10-14T14:47:48+01:00

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