| 智慧感測無所不在 | ||||||||
| 善用ZigBee雙向溝通特性 智慧電網加速普及 | ||||||||
| 新通訊 2010 年 2 月號 108 期《 封面故事 》 | ||||||||
| 文．雲漢 | ||||||||
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| 智慧電網可說是近期最受矚目的議題之一，尤其因為搭上節能減碳與提高能源效率等熱潮，因而吸引眾家業者與各國政府。無線感測網路則因兼具低功耗、穩定與可多點傳輸的特性，被視為資通訊系統之傳導神經。而兩者之結合，更有助智慧電網的實現。 | ||||||||
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| 日前在哥本哈根舉行的聯合國氣候變遷相關會議，雖然沒有真正在長期減碳計畫上達成協議，不過包含各西方與亞洲國家等各主要用電大國，仍多致力於各種節能減碳與提升能源效率的計畫上。若從技術層面來看，要達成終極目標，將也則需要智慧電網(Smart Grid)輔助才能實現。儘管智慧電網尚在發展階段，不過，在綠能趨勢帶動下，該產業未來成長潛力無窮，也可望創造驚人商機。 智慧電網商機無窮 2010年成決戰關頭 與智慧電網相關的能源管理科技，包括先進電表系統架構(Advanced Metering Infrastructure, AMI)、智慧型電表(Smart Meter)、電力儲存裝置(Power Storage Device)等若能結合如ZigBee般靈活省電的無線通訊，將有助推動智慧電網的實現。同時，智慧電網的發展對於替代能源技術的整合將更有利。 思科(Cisco)估計美國的智慧電網將帶來1,000億美元的商機，其中僅通訊部分就高達200億美元。因為一個家庭可以沒有網路，但所有家庭都離不開電，所以智慧電網的規模將比網際網路大上百倍甚至千倍。近期如中國大陸政府亦計畫到2020年將全面建置統一的「堅強智慧電網」，其技術和建設都要達到國際先進水準。 智慧電網起飛在即 經過數年的討論之後，智慧電網概念終於在2009年完成了標準化工作與相關計畫的起步；它是一種開放性、數位化且網路化的供電網路，可為全球能源產業創造近6兆美元市場規模，且使用人口可達四十億人。因此，不少政府單位、企業與研究機構認為，2010年將會是智慧電網起飛的關鍵時期。 簡單的說，智慧電網就是積極使用資訊技術，解決供電者和用戶之間傳輸電力的各種問題(圖1)；其主要概念是將供電端到用戶端設備透過感測器連接，形成完整的用電網路，再針對其中的資訊加以整合分析，以達到電力資源最佳配置。不但能降低用電成本，也能提高用電效率。在智慧電網架構下，電表可雙向溝通。
供電端可透過集中器，收集用戶端用電情況；電力公司不但能監控電力品質，還可配合工作流程及環境特性，以排程與遠端遙控方式達到節能目的。 全球各地興致勃勃 關於智慧電網的定義，不久前工研院院長李鍾熙特別指出，它就是具有人工智慧的電力供應網，能即時機動地整合調配用電供需，並達到最佳節能的電力管理。智慧電網包括了輸配電網路、先進電表、各式儲能設施、資訊分析管控軟體及電路安全保護機制等。 針對環境變遷與氣候異常，美國總統歐巴馬積極推動「綠能經濟」，希望在擴大公共建設、提供就業之餘，不但能落實環保永續，也能帶動產業新機會。在其方案中，預計將在未來20個月花費110億美元，以智慧電網促進全面節能減碳。另外，美國最近亦已通過投資額達80億美元的智慧電網計畫，同樣希望有所助益。 至於其他相關廠商，同樣針對此領域多所著墨。例如日本Panasonic便於2009年11月25日宣布，將與丹麥電力公司SEAS-NVE共同啟動實現智慧電網的實證。該計畫使用SEAS-NVE的智慧電表，實現用電量「可視化」及住宅內照明設備遠距離控制等的家庭能源管理系統(Home Energy Management System, HEMS)。實驗時，將採用Panasonic集團的住宅網路系統。據悉，Panasonic已經在2009年12月中旬時公布實驗內容，並展示正在開發的系統。該實驗將分兩個階段進行，計畫在第一階段實現用電量的可視化及照明器具的遠距離控制，在第二階段對暖氣設備進行控制，並使用燃料電池及蓄電池等。 由於換裝智慧電表(圖2)是智慧電網架構的第一步，因此如中國大陸便計畫在2009～2020年將全數轉換智慧電表，預估投資金額將達人民幣2,000億元，至少有一億個電表以上的汰換商機。當地能源專家粗估，結合歐盟及美國技術打造互動式的智慧電網，整體智慧電網商機將延伸到與資通訊網路產業合一，2013年可望有20～30兆美元之市場規模。
無線感測大行其道WSN扮演智慧電網末端神經網路 對電子產業界來說，智慧電網在2010年無疑是一大焦點，未來包括冰箱、洗衣機等家電設備，甚至電動車等都將連上智慧電網。最需要的就是各種電子裝置與智慧電網之間的連結標準，而總結其大成的就是一個泛稱為無線感測網路 (Wireless Sensor Network, WSN)的架構。 WSN的概念最早來自於1988年Mark Weiser所提出的「無所不在電腦運算」(Ubiquitous Computing, UC)，更由美國麻省理工學院(MIT)技術評論為未來改變世界的十大新技術之一。 WSN具有感測、資料處理與通訊等多重功能，是由一到數個無線資料收集器以及為數眾多的感測器所構成的網路系統，而元件之間的溝通則是採用無線的通訊方式。根據On World機構預測，2012年WSN的市場普及率達2.5%，將有近七千萬個感測節點(Sensor Node)的市場規模。對各先進國家而言，WSN已經是一個重點推動的政策目標，市場前景極為看好。 仔細研究WSN就能發現，發展WSN的重要步驟是尋求一種普遍且能構成由數以百計節點所組成之組網技術，這些節點能在任意時刻透過經由不同微控制器(MCU)所控制的終端感測器相互通訊，同時這些節點還必須具備可靠、低功耗等特性。 此外，WSN透過各節點所收集到的資訊，能夠藉由短距無線通訊技術而進行傳遞，並且可以利用閘道器(Gateway)結合異質網路，如電力線通訊(PLC)之HomePlug、乙太網路(Ethernet)、無線區域網路(Wi-Fi)等，用以連接上網際網路，將資料傳送到後端的伺服器，執行運算、判斷及儲存等，進而對各節點執行預定的控制行程。 ZigBee以黑馬之姿出線 而ZigBee/IEEE 802.15.4即是在WSN這類架構下的一種短距離傳輸技術標準，以ZigBee/IEEE 802.15.4平台為技術核心，再結合眾多周邊元件，包括各式各樣的感測元器件，透過終端產品設計廠商在網際網路應用軟體及系統上的結合，使得WSN的發展已在過去的2～3年間逐漸形成一個完整的生態鏈。 ZigBee/IEEE 802.15.4使用全球最通用之2.4G～2.4835GHz頻段，ZigBee標準的資料傳輸率比藍牙還低，但應用範圍卻極為廣泛，除了一般的資料擷取外，其他還包括環境監測、家庭自動化控制、個人醫療、工業廠房監控、商務大樓自動化、保全監控等應用，亦可結合感測器或攝影機等模組，為產品創造出更多的附加價值。 智慧電網國際標準確立 不久前，Google與電力公司合作跨足智慧電網市場，開發了應用程式GooglePowerMeter(圖3)，iGoogle使用者只要申請此項服務後，便可顯示消費者家中各種電器用電量，並讀取智慧型電表的資訊及分析，找出節能方式以減少電費。網路巨人Google的動作，不啻是向全球宣示該公司對此領域之重視。
而同樣看好此領域，美國能源部(Department of Energy, DOE)選擇在2009年5月公開美國新一代輸電網計畫所使用的標準規格。此次共公布十六種標準規格，名為初期智慧電網互通標準框架(Initial Smart Grid Interoperability Standards Framework)1.0版。ZigBee的智慧能源規範(Smart Energy Profile)也被納入其中，ZigBee Smart Energy Profile同時也是美國智慧電網標準化推進團體(NIST)制定的住宅內家電無線通訊標準。 除了美國官方組織外，目前ZigBee聯盟已把網際網路工程任務組(IETF)的全球IT標準整合到其低功耗無線網路標準的規範項目組合中。通過加入IETF標準，ZigBee Smart Energy產品將能利用本地IP支援提高其應用能力，從而將網際網路連接性無縫整進每個產品中。它將鞏固現有智慧電表的智慧電網，以及採用ZigBee Smart Energy規範的住宅區域網路(HAN)。如此一來，隨著標準底定，將有助於智慧電網應用的全球標準化。 ZigBee Smart Energy公共應用規格所規定的八種設備，包括能源服務入口(Energy Service Portal, ESP)、計量裝置、預裝顯示設備、可編程通訊溫控器(PCT)、負荷控制器、增距器、智慧家電和預付式終端設備等。能源服務供應商能夠透過寬頻或蜂巢式通訊網路部署由ZigBee閘道器管理的住宅區域網路設備，這樣便能在智慧電網沒有覆蓋到的區域執行智慧電網服務。一旦安裝了智慧電表，ZigBee閘道器便能接入該網路，透過公共網路在家庭和次級通訊路徑中，提供可程式化的能源服務，進而提升能源服務的品質。 ZigBee Smart Energy是當今唯一標準化的住宅領域網路解決方案，其滿足了全球各大公用事業單位和能源服務供應商的需求。目前北美地區正在部署約三千五百萬個採用ZigBee技術的智慧電表。 進一步說明，智慧電網的組成架構分為：家用電器到智慧電表、智慧電表到資料集中器、資料集中器再到電力公司控制中心等三段網路架構。第一段與第二段可以採用ZigBee技術加上功率放大機制，其涵蓋範圍可達數公里。又因為ZigBee擁有低速、低耗電、低成本、支援大量網路節點的特性，因此是目前電力廠關注的技術。第三段由資料集中器到控制中心這一段，可以採用一般行動通訊技術，如高速封包存取(HSPA)或全球微波存取互通介面(WiMAX)技術。經由這三段的傳送之下，才完成整個智慧電網的架構，同時亦須加入迅速而輕鬆地實現智慧電網設備整合所需的硬體、託管軟體和服務。 低耗電優勢顯而易見 與其他競爭技術如PLC或Wi-Fi等，PLC用現有電力架構，也是歐洲部分國家偏好的發展技術，不過，從低耗能與耐用度方面看來，ZigBee因具有低速、低耗電、低成本、支援大量網路節點的特性而占有優勢地位。 日本資訊通訊研究機構(NICT)、富士電機、松下、東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣及三菱電機等公司曾於2009年7月就智慧電網所用無線傳輸方式，向美國IEEE 802.15委員會提交了聯合方案。稍後，IEEE 802.15委員會的TG4g工作小組也針對電表、燃氣表及水表的遠端讀取用通訊方式的物理層標準。主要規定了在室外使用的無線方式，要求數據傳輸速率為40kbit/s以上、1Mbit/s以下的低速通訊方式。 另外，為使電池驅動的儀表設備可連續使用約10年，通訊方式須要採用超低耗電技術。NICT提出採用單層式儲存或GFSK調變方式的技術，可以實現50kbit/s、100kbit/s、200kbit/s、400kbit/s等四種傳輸速率。其特點是耗電量極低，如果與已經提交給802.15.4e的媒體存取控制(MAC)層方法組合使用的話，使用4.4Ah電池可連續使用10年左右。 智慧電網步入2.0時代 智慧電網的智慧關鍵在於它具有「雙向溝通」的功能，電力公司不再只是單向賣電給用戶，用戶端的用電資訊也能透過網路，即時傳回電力公司，讓電力公司利用遠端監控系統，了解各地的用電狀況，並進行電量調配。而用戶端也能隨時掌握自己的用電情形，並進一步調節用電量，達到省電、省錢的效果。 而根據電力系統發展趨勢，未來電價將不再只是單一費率，而會隨著白天、傍晚與凌晨時段的不同有所差異。用戶可以上網查看家裡的用電狀況，並依據「時間電價」選擇適宜的費率時段：一旦電價上漲，用戶則關閉高用電之裝置，有助於節省 荷包。甚至家庭用戶尚可依據作息而規畫一套 最划算、省錢的用電方案，如前述的GooglePowerMeter就是一套此類程式。透過智慧電網，未來，電力公司也會具備如電信公司一般，與用戶建立起即時而雙向的訊息溝通。 在所有已問世的無線通訊標準中，ZigBee因為一開始定義規範時就朝向容易進行雙向溝通的方向，因此無疑地是最適合進行有效率雙向溝通的通訊標準。舉凡儀表、家電、汽車、照明設備、醫療監視器與零售庫存等，皆可透過無線連接的方式，將整個日常生活所需之設備與應用串連起來。如果電力公司有了結合ZigBee的智慧電網，就可以即時監控高壓用戶的用電狀況，並依情況立刻進行管控、抑制尖峰時段的電力負載，很容易達到節能減碳的功效。 事實上，全球行動通訊系統協會(GSMA)中有一組人長期在研究智慧電網，相信國際主要電信集團已經開始想要介入制定相關電網的通訊協定，其中多數的文件中已出現ZigBee的採用建議。而且，目前已和許多國家電力公司合作的Google PowerMeter系統，就是利用ZigBee這種通訊架構，具備分析(分析用電行為)、節費(節省電費，並根據用電紀錄提供各種電費預估)、分享(可比較鄰居用電狀況，參考較省錢的用電方式)三大功能。而隨著技術演進，未來一般用戶的手機將成為智慧電網的最後一哩(Last Mile)，在手機產業鏈中，ZigBee可望成為繼藍牙之後的一大標準元件。 用途各異 AMR/AMI扮核心要角 以ZigBee網路組成的先進讀表量計(Advanced Metering Reading, AMR)(圖5)與AMI，亦是近期當紅的話題。
就ZigBee的網路架構及裝置種類而論，主要分為支援全功能(Full Function Device, FFD)及精簡功能(Reduced Function Device, RFD)兩類的裝置。FFD可支援任何網路拓撲架構，可擔任網路協調者(PAN Coordinator)，並可與所有其他裝置通訊；而RFD只存在於星型拓撲中，只能與網路協調者通話。 因此，在ZigBee網路中，AMR既可當作一種RFD精簡功能裝置，也可做為FFD支援全功能裝置，並隸屬於AMI的一部分。AMI是由智慧電表、雙向通訊網路與資訊分析管控軟體、電路安全保護機制及自動讀表控制中心所組成，可連結到用戶家中的家庭區域網路裝置和智慧家電(IA)。例如美國Austin Energy公司推出的無線溫控計便結合多重感測器及先進電表，能讓用戶更輕鬆而有效地節能；而具有即時節電功能的冰箱、冷氣及烤爐等家電新科技，也將使家庭及商店都更環保省電。 就操作方式而論，AMR與AMI可從單向及雙向作業的角度來區分。在單向作業的AMR中，其能精確記錄各裝置在單位時間之用電量，並以週期性的方式進行自動資料短距離無線傳輸到集中器如變電箱或變電所，再經有線傳輸如光纖或數位用戶迴路(DSL)或無線傳輸技術如GSM、整合封包無線電服務(GPRS)或衛星到中央控制調度系統如各分區電力公司，接續再供各戶即時密碼登錄以查詢網頁。而其亦可協助在不同時間差別計價，期待用戶調整用電習慣，以保守達成尖離峰負載之平滑，積極達成全民節能。 當然，它也有助電力公司省去人工抄表成本，或可協助電力公司監測全國精確負載，監測漏電、偷電，或預防跳電與即時復電。對一般民眾來說，則可即時判斷自家之用電情況，智慧調度與節能。 至於在雙向作業的AMI中，電表內可分成下列三種控制：一種是各用戶可經由網路切斷的迴路，第二種是電力公司可短期切斷的迴路，第三種則是恆常聯通的迴路。在此處，用戶可自行決定部分遠端開關。對電力公司來說，亦可機動性調度，如數百萬戶只輪流停用短時間之冰箱、開飲機，以度過尖峰跳電危險，而不必輪流全面限電。 抗干擾/穩定/安全支持智慧電網成形 智慧電網之所以重要的原因，在於能大幅提升能源使用效率，因為無論是哪一個國家，從發電廠發出的電力到終端用戶手中，皆會因為漏電、衰竭、偷電等問題，短少三至四成的電力，因此裝設智慧電網，就能清楚發現問題出在哪裡。此外，透過智慧電網，也能夠更精確的劃分出尖峰、離峰時間，進一步搭配離峰用電優惠。而裝設太陽能、風力發電設備的民眾，也可透過電網回傳電力，甚至於電動車也可選擇在離峰時間充電。 智慧電網的確有這麼多好處，但是電力相關產品畢竟與消費性電子不同，如果在無線訊號傳遞過程中被干擾或是遭到侵入，傳遞方與接收方皆將受到相當程度的損害。因此，在無線環境中，ZigBee便和藍牙、Wi-Fi等其他短距離無線通訊技術一樣，選擇2.4GHz(2.4G～2.483GHz)ISM頻段。但在此頻段，抗干擾性能尤為引人關注。 ZigBee抗干擾特性主要就是抗同頻干擾，對於克服來自共用頻段的其他技術的干擾，ZigBee主要有幾項特點，例如在傳送訊號之前，先進行空閒通道評估(Clear Channel Assessment, CCA)並採用低工作週期、免衝突演算法以避免或減少與在同一頻道中共存的其他訊號發生碰撞。藉由採用直序擴頻技術(DSSS)和頻率快變機制，使得誤碼率在訊噪比(SNR)為4dB的情況下可達10-9。而其他通訊技術，若要達到同樣誤碼率，Wi-Fi要達10dB、藍牙高達16dB才能實現。此外，ZigBee亦以應答重傳和幀緩存(Frame Buffering)方式來確保訊號能確實傳送到對方端。 除了上述之安全性考量，最重要的是絕對不能「當機」。無論是由國家所主導的核心主體設備建置，或是處於通訊傳輸系統神經末端，所謂最後一哩的設備布建，都不能出現當機。尤其電力系統一旦當機，代價非同小可；除了會造成世界級公司新台幣上億元損失外，嚴重一點還會鬧出人命，這也成為系統發展的門檻。 家裡的電表鮮少更換，但電腦卻已經換過好幾台，要放心把本來不會當機的東西，交給「容易當機」的電腦做資訊串聯，一定要搭配在通訊安全性及設備穩定性極強的系統才能達成，形成ZigBee網路的元件所具備的完善資訊加密特質以及符合節能省碳概念的極低耗電效果，無疑是智慧電網最重要的基本元素。 智慧電網潛在商機巨大 經由在電表上連結上無線網路的智慧電表，透過網路傳輸，可以建立家中各電器用電的感測及管理系統，能夠透過統計了解家中耗電及電源浪費的問題，民眾可針對特別耗電的部分進行改善。 以電力公司而言，從發電廠、變電、配電到用戶端用電完整流程，整合網路通訊及IT技術的智慧電網，長期而言，將大大提升電力公司運作效率。透過ZigBee無線網路穩定且及時的回報，電力公司可隨時監測各城市的用電狀況及故障檢修等，來達到各電廠的資源分配調整效率，可以避免經常性缺電問題，也可結合風力和太陽能發電等替代能源，使得綠色能源的理念能夠落實。 智慧電網將帶動龐大商機，從感測控制元件、網通模組、能源管理系統、ZigBee晶片和其相關解決方案及智慧電表等公司，根據資策會市場情報中心(MIC)的預估，到了2012年，國內智慧電網所衍生出的商機將達到新台幣600億元的水準。 不過，智慧電網的推動，由於涉及法規、基礎建設及科技應用，只有結合政府、電力公司及民間企業才能成功，要推動可替代能源的運用及智慧電網的建立，各國政府必須透過立法方式來進行。如果台灣的輸電網路及一千兩百萬用戶的電表系統都能藉著擴大公共建設全面升級，必定會對全民節能減碳大有助益，進一步更可發揮台灣電機電子優勢，搶占綠能產業先機，相信未來在中國大陸及開發中國家會有十分可觀的商機。 |
善用ZigBee雙向溝通特性 智慧電網加速普及 - 封面故事 - 新通訊元件雜誌
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