2012年7月26日 星期四

電網智慧化ZigBee通信技術將扮演關鍵性角色


        智慧電網近年來成為科技產業中相當熱門的概念技術,不論是歐美或是亞洲,均將其視為一大商機。根據統計,目前世界各國均將智慧電網視為重要政策項目,甚至在2010年即開始規劃大規模的投資;目前,大陸已投入超過73億美元,其次是美國的71億美元投資,顯示智慧電網因政策性的考量,需求大增。 

        但縱觀全球,目前沒有看到一個國家有很成熟化的智慧電網發展經驗,雖然沒有統一的定義,但一致的目標幾乎是節能、穩定供電並逐漸增加再生能源的使用比重,在電網把集中供電的傳統模式轉為分散型、儘可能自給自足的微電網,在規劃的過程中同時導入智慧電錶、通信傳輸、儲能(電)、穩定電壓及控制系統等技術整合。

通信是電網智慧化的關鍵
  
        智慧電網的建構和訊息通信技術的應用,可提供自動調控、需量管理、即時測量和最佳化用電配置等功能,有助於電力部門進行電力供應整合及調度管理,也便於消費端從事電力使用管理。

        雖然系統涵蓋完整的通信網路和精密的系統軟體,可用來分析處理電力供需資料,但實際應用時必須先完成最基礎化的智慧電錶建設,才能收集完整且即時的能源使用訊息,作為電力自動化供給調度和需求面管理的基礎;通過電錶的架構,完整的系統涵蓋電力部門、智慧電錶和終端使用三者間的系統,成為一個完整的整體智慧電網架構。

        當電網智慧化後,其中的訊息傳遞首當其衝,成為重要的議題。過去若用戶停電,得派人到現場檢查線路,通過智慧電網,可即時發出信號通知電力公司,說不定用戶尚未發現停電,電力公司已派工程人員修好了。電力公司可通過檢測供電障礙、阻止障礙蔓延,還能通過網路,對欠費的用戶遠程斷電,連偷電的用戶也很容易查得出來。

        雖然智慧電網涵蓋範圍相當廣泛,但由於電網系統本身涉及計費與安全系統,必須以封閉系統進行,加上ICT技術整合智能家電系統,從通信技術出發,就已包涵WiMAX、ADSL、GPRS、WCDMA、ZigBee、乙太網、電力線通信與RS-485等技術,與家庭區域網產生更多的互動與連接,再與互聯網結合,等於將封閉系統打開了一個突破口,這對電網的發展,將造成不小的影響。訊息安全問題,絕對不能等閒視之,尤其是電力安全,所有的電子設備與基礎建設都與電息息相關,一旦失去電力,最嚴重的情形是會癱瘓國家的運作機能。

圖1. 智慧電網示意圖 (資料來源:EPRI)


家庭智能網路端

         在和一般民眾息息相關的家庭智能網路端的普及上,飛思卡爾半導體(Freescale)智慧能源行銷總監Derek Philips認為,必須讓消費者感覺到智慧電網可以幫他省錢,為消費者提供附加服務,才能提高使用意願,進一步加快智慧電網的部署速度。

        儘管全球各地政府都開始思考佈建智慧電網,但實際採用的腳步卻不見加快。真正原因就在於“大多數用戶並不知道自己的電費費率,所以,何時應該節省用電?何時適合做耗電量大的工作,對一般消費者來說並沒有太大感覺。所以,Philips提議,未來無論是要推動智慧電表,或是所謂家用能源管理(HEM)系統的業者,事實上可以參考蘋果的例子,思考如何為消費者提供附加服務,讓終端用戶更有願意開始在家庭中使用智慧型能源管理系統。

Derek Philips也指出,Zigbee在智慧電網極具發展潛力,因為它功耗低,干擾少,而且相對穩定。它使用智慧能源架構2.0,能在同一層應用上支援其他無線應用,不必再使用其他的轉碼器,就能讓兩個無線裝置直接對話。進而擴展其在智慧電網整體架構的重要性,特別是在家庭智能網路端,將是其展露光芒的舞台。
目前在智慧電網的連接應用上,電力線通信及ZigBee兩種技術成為當中的佼佼者,以其在各項通信功能支持的能力,包括電能顯示器(IHD)、智能調溫器(Smart Thermostat)、負載控制(Load Control)、連接介面,以及新增的能源管理系統、電動車Plug-in、電源逆變器等支持,都將有助提升ZigBee陣營的競爭力。
台灣優奎士推出的ZigBee無線感測網路實驗系統,採用TI CC2530 ZigBee晶片,符合ZigBee 2007/Pro 協議。由於無線感測網路的相關通訊堆疊太過於複雜,牽涉的技術層面甚廣,相對的其學習門檻也甚高,因此將無線感測網路的相關設計與應用變成易學易用的技術,是本實驗系統設計的精神。ZigBee無線感測網路實驗系統備有專屬的教材,透過Visual Basic 開發應用程式,初學的使用者可以不用理會底層的相關協議,即可快速上手快開發相關的應用,教材並整合五個情境應用專題,可供實作如智慧型無線窗簾遙控系統、情境燈光控制系統、太陽光能監控系統、居家照護系統專題及數位家庭智慧型無線門禁系統。
此外,由於嵌入式系統的普及和物聯網的熱潮,亦有結合ZigBee和嵌入式系統 UBIKIT 6612的相關應用,UBIKIT 6612採用TI DM3730 ARM 核心,NAND 512 MB 及RAM 256MB,系統為Android 2.3 版本,Android 為目前智慧型手機市場最廣泛使用的系統。透過兩者的搭配,不僅可以學習無線感測網路相關的應用,並能夠學習Android  開發的相關技巧,有別於單純利用Android 手機開發,透過UBIKIT 6612其多樣化的輸出入埠,使用者可以去開發如物聯網、車聯網等在智慧型手機上無法開發的應用,並可以透過UBIKIT 6612多樣化的連網方式,如3.5G、WIFI、ETHERNET等,將採集到的資料透過雲端送出。當使用者具備相關的知識後,即可結合如智慧電錶等,去實作家庭智能網路端的相關應用。

圖2. 智慧聯網示意圖


圖3. 物聯網與ZigBee實驗系統 


Reference:
2. 電子工程專輯“建構智慧電網,必須從消費者角度思考“


2012年7月4日 星期三

用ZigBee技術打造節能便利的LED照明網路


具網路連線的 LED 照明迄今仍因涉及佈線或封閉專利無線系統的複雜度,而僅限於專業照明安裝人員或建築師才有能力處理。近期, ZigBee Alliance 與 LED 燈泡領導製造商共同制定全新 ZigBee Light Link 標準,使消費者能夠更容易安裝與管理照明網路。

ZigBee Light Link 這類的標準解決方案因為具有多種優點,因此成為重要的解決方案。首先是能為消費者提供包括 LED 燈泡 (包括變色 LED)、燈具、計時器及控制等各類互通的產品。目前,只有一些專利無線系統可供使用,其不僅價格昂貴,而且不易實作。有了標準系統之後,消費者便能在網路中使用任何具ZigBee Light Link 認證產品。由於競爭力提高了,這使得網路連線的 LED 照明系統價格更為合理。

除了互通性之外,Light Link 標準也因 LED 燈泡的使用而提升能源效率,並提供感測器以自動控制系統。調光感測器可監控室內的自然環境照明,並自動調整燈泡的亮度,以便依照日夜需求調整燈泡亮度。另外,人體感測器可在有人進入室內時自動打開燈光,並能在離開時關燈。

此外,ZigBee Light Link 標準能夠透過具 ZigBee 功能的智慧型手機或簡單的閘道控制照明,使無線網路的使用性更加強。這能夠使得消費者可隨氛圍或工作需要變換照明設定,並且監控能源使用狀況。消費者也能夠透過改善的安裝方式,輕鬆更改住家及大樓的照明設備。
圖1. 透過Android 手機控制LED燈泡

身為 ZigBee 市場的領導廠商,德州儀器(TI)全力推廣全新的 ZigBee Light Link 標準,並與多家公司共同制訂這項標準。TI CC2530 ZigBee 系統單晶片 (SoC) 通過Golden Unit的互通性測試標準。TI Light 和 TI Color Remote 參考設計的 ZigBee Light Link 認證使客戶對於採用能符合標準的 CC2530 產品更具信心。

CC2530 是滿足 IEEE 802.15.4、ZigBee 及 RF4CE 應用需求的 SoC 解決方案。透過整合 RF 收發器、微控制器、系統內建可編程快閃記憶體及 RAM,CC2530 以超低整體物料清單 (BOM) 成本實現穩定的無線網路節點建置。CC2530 提供各種不同的操作模式,適合需求超低功耗的系統,例如 LED 照明,並且 SoC 可在工業應用的 125℃ 高溫下運作。CC2530 SoC 可結合 TI的 Z-Stack ZigBee 通訊協定堆疊技術,有助於加速 ZigBee 裝置上市並提供穩定完整的 ZigBee 解決方案。


台灣優奎士推出的物聯網與ZigBee應用實驗系統,結合UBIKIT 6612嵌入式系統搭配ZigBee無線感測網路實驗系統 建構一感測網路實驗平台,並透過開發Android 程式來達到相關的應用。其規畫數個情境應用專題,包括情境燈光控制系統,可透過光照度感測器感測現場光照度值,進而透過UBIKIT 6612嵌入式系統去調控LED混光板的亮度和顏色。其餘情境應用專題以居家自動化控制及居家照護為主軸,包括智慧型無線窗簾遙控系統、太陽光能監控系統、居家照護系統及數位家庭智慧型無線門禁系統專題設計。實驗系統並有搭配的教材及範例原始碼,可教導使用者學習物聯網及家庭自動化相關的應用。

圖2. 情境燈光控制系統架構圖
(相關Demo 影片:http://youtu.be/7uObWjgVXjE
                                 http://youtu.be/YkUA7SqsAME )

ZigBee無線感測網路實驗系統採用TI CC2530晶片,除了搭配UBIKIT 6612嵌入式系統,也可以獨立搭配一般電腦使用,透過Visual Basic開發應用程式。由於無線感測網路的相關通訊堆疊太過於複雜,牽涉的技術層面甚廣,透過物聯網與ZigBee應用實驗系統,可以大幅降低學習的門檻,使用者可以不用費心於底層的設計和開發,能夠有更充份的時間把想法轉換成實際的應用。


圖3. 物聯網與ZigBee應用實驗系統示意圖


Reference:
1. 電子工程專輯“用ZigBee技術打造節能便利的LED照明網路“

2. 電子工程專輯 “Computex:首款獲Golden Unit認證的ZigBee Light Link“