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，营运商也须搭配高效率的除错工具，主因係网状网路的复杂性将使传统网路分析工具（如Packet Sniffer）使用起来更加困难。此外，封包到达目的地前，许多中间传输将超出分析仪的应用範围，目前唯一的解决方法是采用专用的桌上型网路分析仪 （Desktop Network Analyzer），才能以图形化介面显示网路中每个封包收发状况，并进行协定分析，让开发人员得以协调网路通讯和装置任务。

　　不过，在某些情况下，网状网路并不是合适的选择，因为节点密度太低，因此无法提供有效的容错移转支援。例如，公路或铁路网路拓扑结构须沿着狭长路径以宽间距部署节点。同样，校园的周边设施对于采用网状网路来说过于稀疏。在这些环境中，结合星型拓扑结构可跨越更远距离，因而更可靠及合适。

　　频段干扰较少　Sub-GHz支援长距离通讯

　　由于无线传播距离与频率成反比，在低功耗、长距离通讯或穿墙能力上，Sub-GHz射频（RF）技术比ZigBee更有优势，如目前在许多无线网路应用中，433MHz已成为2.4GHz的替代品（惟日本不允许用于无线应用）；而基于868MHz和915MHz的设计亦已广泛用于美国和欧洲市场。

　　许多可用频段对系统整合商来说，既可选择在某些特定区域进行效能最佳化，或配合公共事业在广阔区域设计系统。在多样化选择中，Sub-GHz与2.4GHz频段相比，频段频谱干扰更少，因而能提高网路整体效能，减少传输中的重复传送次数。

　　儘管Sub-GHz技术可采用标準的网路通讯堆叠协定，但许多厂商仍选择专用解决方案来解决其特定需求，主要係无线协定面临着一个问题，接收器不知道消息何时到来，不得不保持监听以便不丢失任何资料，因此即使没有消息，接收器也不能完全关闭，此种情形将限制节点的电池自主权，须定期更换电池或充电。

　　市面上最新的Sub-GHz收发器已可支援119M~1，050MHz频率範围，最大146dB的链路预算（Link Budget），以及休眠模式下仅需50奈安培（nA）电流消耗；同时也能支援双天线设计，以减轻多径衰落的影响。

　　晶片整合天线分集逻辑演算法后，还可采用跳频和时脉同步技术，让系统整合商在调节器和终端节点之间，实现跨越数公里的Sub-GHz网路，且终端节点可采用单电池运行10年以上，因而能以少量调节器覆盖特定区域，加速实现智慧能源管理系统的建置。

　　不过，无线网路世界中，没有一种万能的解决方案，尤其在大规模、低功耗网路中，更不能仅选择无线网路中的某一种形式，须促进Sub-GHz和ZigBee 无线网路良好并存。例如在校园中，2.4GHz ZigBee适用于室内自动化系统，而Sub-GHz用于户外灯光控制。

　　ZigBee/Sub-GHz共构低功耗无线感测器网路

　　虽然可靠、有效的收集资料能力对无线网路环境布建最为重要，但相关业者要真正激发出无线网路应用潜能，实现所有即时资讯的资料分析、视觉化以获得行动服务，还须进一步发展云端运算连接方案。

　　一般而言，大规模网路通常利用回程（Backhaul）系统，把每个子网路中收集的资讯转换成网际网路通讯协定（IP），并且在每个收集点，把接收到的资料转换成适合在标準IP帧中传输的格式。大多数情况下，在感测器网路中的网路通讯协定前端将分解并进行封包分析，随后回程系统再把含有来源和目的地资讯的塬始资料整合成IP封包，让感测器网路毋须消耗过多能源。

　　紧接着，IP封包将采用与其他网路资料封包一样的方式选择路由，而服务提供者则透过云端服务分析资讯，并提供给用户，让消费者可藉由平板、笔电或手机取用数据，形成更有效率的智慧能源管理流程。

　　无庸置疑，无线通讯和低功耗设计技术的发展带来许多便利性，让人们可测量、监视和控制环境，这是以前无法想像的；现阶段，智慧电表、保全和建筑物自动化等应用正蓬勃发展，而污水管理和森林火灾探测类型等应用也开始起步。由于不同的技术各有优势，未来ZigBee协定和Sub-GHz射频系统将高度整合，以实现高可扩展和可靠性的低功耗无线感测器网路。