EnOcean技术的研究现状及展望

崔凯　宋文飞　陈蔚　文明艳　曾湘湘　张俊

摘要：EnOcean技术是一种新型无线通信技术，具有能量采集、超低功耗模块组与高质量通信的优点。本文主要阐述了EnOcean技术的系统原理和发展历史，并介绍了EnOcean技术的通信原理与主要特点，最后分析了EnOcean技术的未来发展趋势。

关键词：EnOcean技术;无线通信;能量采集;低功耗

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0040-03

1 概要

EnOcean技术是近年来新兴的无线通信技术，由于其特有的能量采集功能，提出了无线无源的绿色解决方案，被应用于工业控制、智能家居及楼宇自动化的管理。

EnOcean系统由无线传感器模块和无线系统模块组成。基于“有效地整合利用环境中被忽略的微量能源”的理念，无线传感模块中的能量变换器将收集的能源转换成电能，经过能量管理模块将电能分配到网络传感器上的射频收发器、模数转换器、微控制器等各部件;无线收发器接收到信号后，通过微控制器转换并发送控制信号，系统执行器也可直接向微控制器发送命令[1]，如图1所示。

2 EnOcean技術的发展历史

EnOcean技术作为基于能量采集的超低功率短距离无线通信技术，是由德国易能森公司开创并推广的[2]。1995年，西门子能量收集技术部门开始进行能量收集装置的开发工作，并于1997年获得第一个能量收集传感器专利。2001年，西门子公司的无线无源研究部门单独成立为EnOcean GmbH公司，致力于研究用于建筑设施的免维护无线传感技术。2008年，由全球领先的建筑业知名企业共同组建的EnOcean Alliance成立，旨在实现技术的标准化与国际化，推动无源无线智能楼宇控制系统与智能家居系统的发展。2012年3月，EnOcean无线通信标准被国际电工技术委员会采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”，成为目前世界唯一使用能量采集技术的无线国际标准，如图2，其规定了协议栈中的物理层、数据链路层及网络层，而应用层由EnOcean Alliance根据EEP（EnOcean设备标准文件）保证产品开放与兼容性[2]。

EnOcean技术在国内的发展起步较晚，且非常缓慢。自2012年以来，只有同方泰德、南京天溯、宁波杜亚等少数公司在研发和生产基于EnOcean技术的智能建筑和智能家居系统。但伴随着嵌入式与无线传感器网络技术的深入，EnOcean技术在中国未来的智能家居行业得到广泛应用。

3 EnOcean技术的通信原理

EnOcean的通信方式主要分为串口传输和无线传输，如图3。串口传输是由主机和EnOcean RF模块通过连接相应的物理接口，以三线连接RX，TX和GND的方式传送报文。无线传输是EnOcean RF射频模块与模块间的无线传输[3]。RF射频模块的选择频率为：315MHZ、868.3MHZ及902.875MHZ。在ERP2协议中采用FSK调制，而ERP1协议为ASK调制。

EnOcean通信报文是实现通信的基本单元，由不同的数据构成。如图4，1Byte的EnOcean通信报文的数据框架占8位，不包含校验位，由Start Bit（logical0）开始至Stop Bit（logical1）结束，以logical1代表串口空闲[3]。

为实现双向通信的串口与无线传输报文，采用自上而下的通信协议[3]。数据包需要包含设备信息、命令、事件或者响应消息，即由同步字节、头文件、CRC8H校验码、数据、选择数据和CRC8D校验码组成，如表1所示。在EnOcean通信数据结构包中，有一特定的字节数据指明数据包类型。当主机或者模块收到数据包后，根据读出的数据包类型，作出相应的通信响应。

通信响应包含三种类型：广播响应、请求响应及事件响应，如图5。当主机向模块发送RADIO、RADIO_SUB_TEL或REMOTE_ MAN_COMMAND类型的数据包后，将处在等待状态，直到主机接收到EnOcean模块的响应信息才继续运行程序，此过程成为广播响应。而请求响应和事件响应是单向的，请求响应只能是主机向模块发送REQUEST指令，模块在接收后必须反馈RESPONESE数据包;事件响应只能是模块向主机发送EVENT数据包，主机在接收后可以反馈RESPONESE数据包。

4 EnOcean技术的特点

EnOcean技术一方面基于能量收集的理念，通过将生活环境中的微量能源收集起来，然后进行能量的存储与管理，使获得的电力被分配到系统中的网络传感器，为设备提供通信能量。另一方面，结合超低功耗信号收发、微型能量转换器与可靠的无线通信技术，有效降低电能消耗。具体表现为以下三大特点[4]：

4.1 能量收集与转换技术

如图6所示，电源模块通过能量采集单元收集所处区域的能源，例如机械能、热能、太阳能及射频能等。再对吸收的能量进行处理，转换成电能传输到能量存储与管理模块，基于快速充放电与能量持续供给的特点，可将电能自动配合无线传感器网络节点，确保无线网络的能量供给，使得通信系统达到无电池、无数据线、无电源线的目的。

4.2 超低功耗的模块组

EnOcean技术不仅采用低功耗的集成电路将传感器的功耗降低到mW内，而且有效路由首先经能量控制器，再进行数据发送，或者将节点设定为休眠状态，通过传感信号激活节点状态，以降低电能的消耗。与目前的无线通信技术相比，如表2所示，该技术的功耗最低，例如无线通信所耗电量是ZigBee技术的1/100～1/30，并且可以组网与支持中继功能[5]。

4.3 高质量的无线通信

EnOcean无线标准“ISO/IEC14543-3-10”使用315MHZ、868MHZ和902MHZ频段，数据传输距离室内为30m，室外为300m[6]。系统以采集的能量驱动低功耗芯片组，通过加密操作与反复发送信号操作来实现可靠性与安全性的，传输范围最大，同时抗干扰能力最强。

5 EnOcean技术的未来展望

目前，全球的经济与资源形势并不乐观，新建建筑的数量可能在不断减少，但是对于楼宇改造的热度始终未减，很多公司在进行相关绿色低碳产品的研发，无线集成方案因维修简单、耗能低的特性，必然成为首要选择。因此，EnOcean将在未来无线智能家居系统中占有重要地位[7]。

基于节能的需要与EnOcean技术的明显优势，自供能技术的前景是广阔的。据EnOcean Alliance的相关人员表示，EnOcean协议比较适合用于楼宇灯控与商业照明，并且商业楼宇在申请节能认证时使用EnOcean协议可以加分。同时该技术无需外部电池电缆，大大降低了安装维护成本，满足无线传感器网络的需求。

EnOcean不断加大推广力度，在中国开办展会、推出低单价模块，同时EnOcean技术与有线系统实现结合运用。连接照明公司Gooee曾运用EnOcean自获能无线技术，将蓝牙低功耗自供电开关模块融入到蓝牙智能网堆栈。

但EnOcean能量采集技术存在要求设备不需长期运行的局限[8]，为解决技术的不足，EnOcean正研究更加低耗能的芯片模块与高技术水平的能量采集模块，同时自身将趋向于与多技术融合发展，提高系统智能化、网络化程度，将被广泛地应用在智能照明、建筑节能改造中，以促进智能家居与智慧城市的发展。

6 结语

综上所述，EnOcean技术作为新型无线通信技术，不仅通过自获能技术实现了无源无线，而且数据传输质量高、速度快，应用范围广泛，实现了节能减排的目的，具有广阔的发展与应用前景。

参考文献

[1] 陳宁.EIB与EnOcean系统在别墅照明控制的应用研究[D].大连理工大学，2015：12-19.

[2] 王树伟.基于ENOCEAN的可佩戴病房呼叫系统的设计[D].天津工业大学，2017：8-16.

[3] 杨威.支持EnOcean无线技术的Web控制器设计与实现[D].广东工业大学，2016：29-40.

[4] 宋圣涛.基于EnOcean的智能家居系统的研究与实现[D].浙江理工大学，2016：9-13.

[5] 陈超群.基于EnOcean技术的智能监控系统的研究[D].上海应用技术大学，2016：3-5.

[6] 邬金萍，卢镭，郭金妹.基于EnOcean的智能照明控制系统设计[J].科技广场，2017（10）：67-68.

[7] 邹琴晴.支持EnOcean无线技术的Web控制器设计与实现[J].电子技术与软件工程，2017（13）：27.

[8] 邱小路.基于EnOcean与以太网技术的电力信息管理系统的设计与实现[D].湖北工业大学，2017：5-9.

Research Status and Prospect of EnOcean Technology

CUI Kai，SONG Wen-fei，CHEN Wei，WEN Ming-yan，ZENG Xiang-xiang，ZHANG Jun

（School of Electrical Engineering，University of South China， Hengyang  Hunan  421001）

Abstract：EnOcean technology is a new type of wireless communication technology， which has the advantages of energy acquisition， ultra-low power module group and high quality communication. This paper mainly expounds the system principle and development history of the EnOcean technology， introduces the communication principle and main characteristics of the EnOcean technology， and finally analyzes the future development trend of the EnOcean technology.

Key words：EnOcean technologyc; wireless communication;energy acquisition;low power consumption