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Zigbee串連智慧家庭每一角落

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智慧住宅的設備連線可分兩種,一是在設計初期就將系統建入,另一種則是在建案完成後,以無線方式連結家中設備,而各種無線通訊技術中,目前以Zigbee最適合家庭自動化使用。

智慧住宅以自動化系統為主軸,必需整合不同設備,才能發揮綜效,然而整合勢必就會牽扯到線路佈建問題,舊建築的線路都埋在水泥牆中,不可能重新舖設,在這個天生限制下,該如何跟上智慧化浪潮?「用無線取代有線」或許是最好的解答。

透過自動化技術進行環境控制,是智慧住宅的主要功能之一,而環境控制的主要通訊技術又以Zigbee為主。DIGITIMES

無線技術大車拚 Zigbee成趨勢

目前市場上比較成熟的無線傳輸技術包括無線區域網路(WiFi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee等,前二種技術適用於點對點資料傳輸,至於ZigBee因為具備區域聯網互動能力,最適合應用於家庭或辦公室自動化。

WiFi特性為傳輸速率快,但因為耗電量大,多半用來進行無線上網,而擁有低耗電優勢的藍牙,卻受到傳輸距離只有10公尺(代表被控設備不能離開中心點太遠)、且最多只能對應8個節點的限制,較適合應用在可攜式設備的短距離資料傳輸上,這兩種技術在智慧住宅上的應用,侷限於無線遙控器與室內情境控制面板的資料傳輸,換句話說,遙控器經由藍牙或WiFi發送訊息給情境控制面板,提供使用者遠端控制的便利性。

至於勝出的ZigBee技術,架構於IEEE 802.15.4標準上,具有低耗電、傳輸距離為10到70公尺、可連結65,000個節點、支援多種網路拓樸架構等特性,再加上傳輸速率低,正好適合指令簡單的自動化設備,也被業界看好是無線自動化的必然趨勢,早期ZigBee在標準制定上的不明確,使其未能如市場預期般大量發展。

2013年ZigBee聯盟公佈專為家庭自動化設計的新版本Zigbee1.2,此版本大幅降低功耗,可使家庭安全監控感測器電池壽命提昇至7年,並可與之前版本相容,目前已開始為設備供應商採用。

其實在1.2版本之前,多數感測器就都已內建ZigBee模組,並使其具有感測、運算及無線傳輸的能力,從而架構出無線感測網路(Wireless Sensor Network;WSN),提供人員定位、緊急求救、環境感知、資產管理、家電設備控制、自動抄錶、醫療監測等用途。

Zigbee目前在智慧住宅的應用主要有3類,包括自動抄表、能源與環境監控、安全與健康照護。

自動抄錶系統

自動抄錶系統分成三大架構,首先在大樓或住戶電錶上連結ZigBee無線通訊模組,將資料傳送至中控中心或應用伺服器端存放,也可透過ZigBee閘道器(ZigBee Gateway),走GPRS或乙太網路傳送至能源供應公司,對能源供給者來說(如:台電),可以避免人工抄寫錯誤的風險,而在能源使用者端(如:家庭)則能透過網路檢閱用電紀錄,從中找出節能之道。

現階段自動抄錶系統雖然無法直接連到台電公司,但社區或大樓在裝置系統後,可以自動抓取電力使用資料,並匯總至資料庫內,提供住戶查詢瀏覽,惟建置時應明確定義電錶資料庫所涵蓋的區域及項目別,區域指的是整個社區、獨棟大樓或單層住戶,項目則指有哪些耗電設備,例如:照明、空調等,這些都會影響系統架構,及資料庫呈現方式。

能源與環境監控

目前台灣此類應用的指標性案例是台北市立圖書館北投分館,北投分館應用ZigBee進行能源與環境監控的最佳代表,其在外觀設計上便已強調環保節能概念,採用太陽能發電、木造外型及雨水回收系統等,至於室內空間部份,則導入「能源與室內環境品質監測系統」,監測項目分成二種:空調與照明設備耗電量、各主要空間溫溼度及二氧化碳濃度。

首先,在圖書館內部放置多台ZigBee空氣品質感測器,監測溫度、溼度及二氧化碳濃度,這些監測訊號透過ZigBee傳送至後端嵌入式控制器,其職責有二,一為儲存、運算與顯示這些監測訊號,判斷目前空氣品質是否符合標準,另一則是監測照明與空調設備耗電量,並提供遠端監看功能,方便管理者透過網路瀏覽控制器所紀錄的資訊。

此外,控制器還整合其他硬體設備,包括LCD顯示螢幕,提供來館民眾瞭解目前環境品質,及I/O控制週邊設備,如:送風機、警報器、灑水器等等,以維持室內良好空氣品質。

小型企業或居家環境使用自動抄錶系統,就能發揮節能效益,至於中大規模企業則適合仿照北投圖書館模式,向上發展能源管理與空氣品質監測系統,能源管理系統以需量控管為主,空氣品質監測系統目的則是打造舒適室內環境。

能源管理系統以監控主機為中心,透過資料擷取模組接收來自數位電錶的電力資訊,再經過統計運算後傳送至中控中心的電腦主機,同時判斷是否有超過需量(即與台電契約容量)的風險,當達到臨界值時,系統按照預先設定好的順序,自動卸載設備,也就是停止運轉的意思,也或者系統只發出警報聲響,再由中控中心人員進行卸載控制。

至於空氣品質監測系統,則整合溫度、溼度、氧氣、一氧化碳、二氧化碳濃度等不同類型感測器,將訊號透過ZigBee通訊模組,無線傳輸至電腦主機存放,並判斷是否超過預先設定好的空氣品質標準值,若已超過標準,除了結合自動化設備同步控制空調通風系統,也可以透過電信網路發簡訊通知管理人員,維持室內環境舒適度。

安全與健康照護

安全與健康照護的系統建置,世和數位科技在內湖「世和御苑」建案可作為案例介紹,此建案採用ZigBee技術,為住戶提供安全與健康照護,在安全照護應用端,以無線感知定位系統為主要架構,提供定位與緊急求救服務,至於健康照護則分成環境感知與生理資訊照護等兩種應用。

首先,在安全照護端,住戶身上必需配戴無線感知證件,並在社區的公共空間裝置無線感知偵測器,如:圍牆、停車場、大廳及花園等,方便社區中控中心掌握各個區域有哪些人行走在其中,甚至將其所在位置通報至屋內保全主機,此外,在偵測器上附有緊急通報按鈕,遇到危急狀況時,可按下按鈕向中控保全人員求救。

至於健康照護端,則使用內建ZigBee感測模組的血糖血壓計,將住戶生理資訊傳送至ZigBee閘道器,再經由乙太網路傳送至後端伺服器存放,使用者同樣可以透過網路連上資料分析平台瀏覽資訊。

此外,隨著手機日益普及、連網技術成熟的趨勢,行動通信技術也是不容小覷的無線應用,越來越多智慧住宅將應用擴及至屋主手機上,最常見的就是遠端控制家中設備、門禁管制、接收監視畫面等。

佳園建設在台南南區的建案「鼎極佳園」,也整合手機與門鈴建構出主動式保全系統,住宅門口對講機直接連到屋主的手機上,當屋主外出、卻有人前來按鈴時,可以直接經由手機應答,倘若希望進一步確認來訪者身份,屋主也能透過手機接收現場照片。

這種作法主要效益在於降低竊賊闖入的風險,超過半數以上竊賊會挑選「室內無人」的住家為目標,甚至在行竊前還會按鈴確認屋內是否有人,而主動式保全系統就好像諸葛孔明的空城計般,營造「屋內有人」假象,避免成為竊賊下手標的。

Zigbee的長足發展,讓替建築物省下重新配線困擾,未來將帶動舊建築智慧化浪潮,其低功耗特色,不但可減少能源耗損,對人體健康危害也較低,各設備供應商也將之視為智慧住宅主要應用的無線通訊技術,就此來看,Zigbee已成為此領域的主流通訊技術。