Sub-GHz/ZigBee技术加速整合　智慧能源管理系统渐热

　　物联网（IoT）的重要驱动力之一是低功耗无线感测器的出现。从智慧电表（Smart Meter）到运输系统、从保全系统到建筑物自动化，感测器愈来愈广泛用于各类应用中。对无线感测器来说，可扩展性、範围、休眠电流和可靠性等特性至关重要，虽某些终端节点所需资料传输速率相对较低，但是大规模网路中的即时报告匯集，已意味巨量资料（Big Data）时代来临。

　　据全球行动通讯系统（GSM）联盟预测，至2020年将有大约五百亿个搭载无线通讯的装置，其中，行动装置和个人电脑（PC）仅占25%，其余大多为物联网装置，显见其商机庞大。

　　在物联网的发展热潮下，智慧电网（Smart Grid）的布建也随之加速，由于新一代电力网路强调装置之间可即时通讯，因此有很多无线连接技术备受瞩目，最普遍的包括无线区域网路（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）、ZigBee和基于Sub-GHz技术的解决方案，每种解决方案都有优缺点，在这个互连世界中，以上无线技术将会共存（图 1）。

　　图1 针对不同的物联网应用，多种无线通讯技术将同时并存。

　　实现智慧能源管理　无线通讯技术扮要角

　　为提供终端使用者更好的服务，公共事业和市政单位开始扩展智慧计量系统，以解决即时资料不断增加的问题，公共事业透过智慧电表，能够更频繁和更有效的查看客户的能源消耗资讯，同时也能快速识别、隔离以及解决电力失效等问题，而消费者也能透过互连来获取相关资讯。

　　智慧能源和智慧家居系统中的网路设备均能即时报告其使用状态和功耗，且能回应公共事业发出的控制指令，例如洗碗机能在电费最低时启动，或适时提醒用户何时该采买洗洁精，让电子装置的使用更加节能、有效率。同样的，在铁路运输网路中，无线感测器可用于远端监控广阔的轨道网路，技术人员能提前识别维护需求，降低以人工巡视轨道的成本和延迟。

　　对导入许多无线感测器的网路环境而言，某些感测器每秒进行一次状态更新，每次仅传输几个位元组资讯，但单一建筑物可能就有数万个节点，而智慧电网的覆盖範围更大至数个城镇，因此可靠性、可扩展性和电源效率都非常重要。

　　举例来说，美国拉斯维加斯的Aria酒店部署七万多个采用ZigBee网状网路通讯节点，以便控制照明、空调和建筑物周围的许多其他服务。在多数应用中，感测器安装位置大多无法连接主电源，只能以电池供电，因此可靠的网路架构要求有能力处理大量匯集的资料，但感测器节点本身也须以极低功耗运行，才能真正实现智慧能源管理。

　　可靠性、可扩展性和电源效率的组合，明确界定无线感测器节点能采用的通讯技术需求。系统整合商不仅要考虑所选拓扑结构和无线协定的优缺点，也要考虑无线技术本身既有的物理属性，如混凝土墙和多径衰落对任何无线系统来说都是不利的，但也有办法减轻影响。为解决这个问题，各国均有相关法规管理无线电频段和可用频率範围。

　　其中，2.4GHz为毋须授权的全球频段，因此其无线系统设计能服务于全球主要市场，最普遍的Wi-Fi就是基于2.4GHz频段的通讯技术，可在两个节点之间快速传输大量资料，但其功耗较高，在星型架构中，每个网路接取点（AP）限制在不超过十五到三十二个用户端。蓝牙亦采用2.4GHz频段，做为可携式装置点对点传输方案，但仅支援几个节点；至于ZigBee频段亦然，但仅用于满足低功耗无线感测器节点的特殊需求。表1汇总目前的无线网路技术主要特性和功能。

　　采用网状拓扑　ZigBee网路设计灵活

　　事实上，ZigBee係一个开放的无线网状网路技术，在智慧能源管理应用领域备受期待。其与传统的星型和点对点网路架构不同，采用动态、AODV（Ad Hoc On-demand Distance Vector）路由技术，并以最低成本的网路拓扑结构为建筑物内的所有节点提供可靠的覆盖率（图2）。

　　图2 常见的三种无线通讯网路拓扑结构

　　在AODV中，当一个节点须连接时，路由器将发送一条路由请求，其他节点在路由表中查找，如果有到达目标节点的装置，则向来源节点回馈，来源节点选择一条可靠、跳数最小的路线，并储存资讯到本地路由表以便用于未来所需；如果一条路由线路失败，节点还能简单的选择另一条替代路由线路。不仅如此，若来源和目的地之间的最短线路因墙壁或多径干扰受阻，ZigBee也能自我调整，找出较长但可用的路由线路。

　　举例来说，基于芯科实验室（Silicon Labs）ZigBee系统单晶片（SoC）和EmberZNet PRO协定堆叠的无线感测器网路，可提供自配置和自修復的网状网路连接性，并扩展连接单一网路中的数百或数千节点。

为发挥ZigBee网路弹性设计的最大优势