ZigBee 智慧電網 遠端抄表 Ethernet 乙太網路 乙太網 UART AMR BUM HAN PLC USB

元件功能整合風潮興 智慧型測量計網路水到渠成

智慧電網中,智慧型測量計扮演重要角色,除須記錄用戶家電用電量外,還須具備資料傳輸功能,以便將用電資訊傳送到電力公司控制中心。此外,智慧型測量計的顯示螢幕也被要求呈現更豐富的資訊。為符合上述需求,促使IC元件必須整併多種功能。
下一代的測量解決方案會是什麼模樣?是否還須面對日復一日的問題,如讀數錯誤、配送時的耗損、長時間才能判斷錯誤位置、還是曠日費時的問題處理?多年來,所有的電力、自來水、瓦斯公司及全球的消費者都為此所苦,而且不斷地在尋求解答,然而目前的測量解決方案中具有許多不經濟之處。在這個通訊發達的時代,全球大多數的測量計卻仍然須以人工取得讀數,不支援遙控及遠端讀取,光是這一點就無法降低讀表的成本,因為人為讀表既昂貴、又容易出錯。

此外,現有的測量計也無法自動偵測到服務中斷的問題,往往要花費非常久的時間才能確認故障及其位置,要修復則耗時更久。這對於供應商及消費者,尤其是工業用戶都造成鉅額的損失。本文目的即在探討這類問題,以及其他基礎公共設施測量計所面臨的限制,還有智慧型公共設施測量計架構,和如何克服以上問題。

智慧型公共設施測量計包含多種功能元件

智慧型公共設施測量計的核心元素,與基本的公共設施測量計(BUM)並無二致(圖1)。不過,智慧型公共設施測量計與基本型的差別,則在於前者與外界的通訊能力更有效率、同時也能監控各種設施、並清楚顯示驅動狀態、此外還具備更優越的計算處理能力和記憶容量、可預防竄改的安全功能等。基本型與智慧型周邊/功能的差異,在圖1中以虛線顯示。

資料來源:飛思卡爾測量解決方案
圖1 公共設施測量計單晶片系統的基本架構

本文的目標在於以基本型公共設施測量計為基礎,繼續延伸相關知識,以下章節將陸續說明智慧型測量計專用的區塊。

智慧型測量計通訊技術涵蓋有線/無線

圖1中所顯示的通訊區塊,代表智慧型測量計所支援的通訊協定。若將該區塊放大來看,則會看到智慧型測量的各種通訊類型(圖2)。以下將一一介紹。

圖2 智慧型測量計的通訊種類

PLC具成本優勢

在基礎服務媒介上運作而言,電力線通訊(PLC)可能是在測量計/消費者與服務供應商間最為便宜的通訊模式。PLC利用電力纜線傳輸及接收資料,這成為廉價解決方案的不二選擇,在人口密度較低、設立其他通訊方式將不敷投資成本所需的情況下尤其適用。此外,PLC也很受到家用區域網路(HAN)的歡迎,因電源線可作為廉價的訊號傳遞媒介。運用此項技術,測量計便可與任何以受控模式的設備直接互動,視需求直接調節其運作。如此一來,便可跨越建築牆的障礙或無線訊號易受干擾的限制,使得PLC比一些無線訊號解決方案更為可靠。這項通訊模式須借助電源線數據機,將其置於測量計與電纜線之間,作為溝通的介面。

早先的PLC技術利用的是跨零電位(Zero-crossing)或是展頻(Spread-spectrum)技術,但新式的電力線路通訊技術則使用窄頻帶,配合雙載波頻率訊號技術,在受干擾時仍能提供優越可靠的通訊。在發送告知用訊息時,封包一開始會在C頻帶(C-band)以132kHz的主頻率發送,若未收到,封包會再改以115kHz的次要頻率發送,若是重複的訊息,封包會交替以主要及次要頻率傳遞。在公共設施應用裡,主要通訊頻率位於86kHz的A頻帶(A-band);次要通訊頻率則位於75kHz,因此,家用區域網路內部的通訊都發生在C頻帶,而測量計與電力線之間的通訊則使用A頻帶的頻率。

GPRS/GSM/CDMA毋須擔心電壓影響

整體封包無線電服務(GPRS)是另一種價格低廉的通訊模式,利用既有的行動通訊網路,在測量計與服務供應商間傳輸資料。這類的測量通訊其實與行動通訊運作方式並無差別。系統需要在測量計中置入使用者身分模組(SIM)電話卡,就像手機一樣,如此便能辨識出每一台測量計,並據以建立測量計與服務供應商之間的接觸,完全只須透過無線行動電話網路。測量讀數的資訊及其他訊息,如篡改紀錄等,都可定期用簡訊,或是GPRS等數據通訊之類的方式,從測量計發送出來。同樣地,服務供應商也可用簡訊或GPRS等數據通訊技術,把軟體版本更新,或是計費、通知使用者資訊送回給測量計,且儲存在測量計的內部記憶體當中,並顯示在螢幕上。

同樣的觀念也可建立在預付式的測量計上。就像行動電話預付卡一樣,消費者僅須購買付費卡,再將通行碼/關鍵字用鍵盤輸入到測量計內,然後測量計便可與網路溝通,確認預付卡有效。此種認證方式可透過精密的軟體或硬體式加密演算法,直接建構在系統當中,一旦確認無誤,既定的使用量便會傳回給測量計並儲存起來,然後按照能源/水/瓦斯的耗用量逐步扣除。使用者也可隨時監看餘額,並據以規畫須儲值的金額。

此一通訊模式較PLC模式還有一項優點,那就是PLC須仰賴高壓纜線傳遞資料,因此在傳遞資料前必須設法隔離高電壓纜線與相對低電壓的資料,行動通訊技術則無此問題。此外,PLC的測量計本身也須能防護電纜線的高電壓,因此還必須建立防護機制,不讓單晶片系統與電力纜線因意外而直接接觸,藉以減少被高壓電燒毀。

ZigBee/紅外線結合電表與家電產品

ZigBee/紅外線(IR)這兩種通訊模式最主要是應用在短距離傳輸上,如抄表人員帶著ZigBee/紅外線的收發器經過建築物外,手持裝置便會從測量計蒐集讀數,或判別是否出現竄改紀錄等。雖然無法完全免除人為的動作,卻可加速整個抄表的過程,降低抄表成本,且可避免人為的記錄錯誤,但這兩種模式在家用區域網路中仍扮演關鍵角色。

在家用區域網路中,所有的家電都可透過無線訊號的方式連接到測量計,或是能源閘道器,如此一來,測量計或能源閘道器便可完全控制家中的每一部家電,並按照設定的費率來操作。這便導入智慧電網(Smart Grid)的概念。在智慧電網裡,消費者與公共服務供應商可雙向溝通,讓消費者決定如何、何時使用多少的能源/瓦斯等,這將有助於規畫較有效率的方式,讓優先度低,但用量較大的家電轉用費率較低的時段,以便降低尖峰時段用量,進而降低生產及配送公司的壓力。

乙太網路連接遠端控制中心

公共設施測量計可用兩種方式運用乙太網路,亦即透過服務供應商或家中的設備。不過,乙太網路在家用區域網路中較為普遍,如以測量計所建立的家電網路,這類測量計可監控網路上的家電,不僅有助於降低尖峰用量,也可降低以日計價的成本。

乙太網路也可協助消費者從外界任何地點操作任何掛在家用區域網路上的測量計和家電(圖3)。如此一來,消費者便可隨心所欲地控制任何家電。例如,某人想從辦公室啟動家中空調,這樣到家時即可馬上享受舒適的環境,也可以等到當天的減價供電時段時,再從遠端啟動家中的洗衣機或洗碗機。這些動作就像人們操作自己的銀行戶頭,服務供應商會提供一組獨特的帳號和密碼給消費者,然後就能登入網路系統,連接服務供應商的測量計和遠端用戶。一旦認證通過,消費者便可自行控制測量計。

圖3 透過乙太網路連結家電網路與遠端控制中心。

智慧卡介面可儲值/預付電費

智慧卡介面的主要用途在於預付式的測量應用。智慧卡跟銀行預借現金卡的運作觀念類似,只要再度儲值,既定的用量便會儲存到卡片的記憶晶片內。當卡片插入測量計的讀卡機,讀卡機便會讀取已經註記在記憶體中的用量,然後開始根據耗用量,從記憶體中扣除餘額,測量計也會發出警訊,提醒餘額已經低於安全量,消費者便可正確估算。但是這種解決方案仍有其缺陷,那就是消費者須經常儲值,一旦忘記,就可能蒙受服務中斷的困擾,然而此一方案仍十分適於定期遷移的工作者或是短期承租者,並可確保水電瓦斯之類的費用都已預先支付,或是「離開時結算」。這樣既省下服務供應商設定起始預設值的問題,新承租人也毋須擔心先前的使用者有欠繳情況。智慧卡介面通常會透過串列周邊介面(SPI)的周邊附掛。

外部介面滿足不同設備介面需求

由於供給測量應用使用的智慧型功能與日俱增,因此與外部世界溝通的需求也隨之遞增。對於需要一般存取速度的應用,可使用SPI、SCI、通用異步收發器(UART)、I2C之類的周邊。但是對於需要快速存取或傳輸大型封包資料的應用,就需要通用序列匯流排(USB)和安全數位輸入輸出(SDIO)的周邊,才能應付。

從以上的討論可看出,基本式公共設施測量計只具備非常有限的通訊能力,如可能缺乏GPRS通訊或乙太網路的單晶片解決方案。基本式公共設施測量計大部分只具備SPI、I2C、UART之類的周邊,以供基本通訊所用。為支援GPRS或乙太網路這類先進的通訊協定,單晶片系統必須要具備與外部裝置溝通的介面,如I2C、SPI、UART就可擔任介面,讓基本型測量計和具備GPRS通訊或是ZigBee收發器功能的晶片溝通,以便支援通訊。

智慧型測量具備多種通訊模式,因此很難有一種單晶片解決方案可以滿足所有通訊模式。此外,把所有可能用到的通訊周邊如GPRS、乙太網路、電力線路通訊都放進單晶片,不僅會提高微控制器(MCU)成本,也可能在缺乏良好時脈控制及低功率的架構規範下,導致高功率損耗,這對於測量應用來說,是十分重要的因素。

智慧型顯示大勢所趨

顯示是下一個會受到變革而改變的模組種類,消費者須目視讀數的日子已經過去。由於資訊量與日俱增,使用者希望也可一次看到所有的訊息,因此液晶顯示器(LCD)與薄膜電晶體(TFT)顯示器便取代原有的七段數字顯示,這類顯示方式有兩個優點,其一為耗電少,而且可以顯示更多資訊(圖4)。有了新的顯示技術,便可改寫韌體,進而顯示特殊事件資訊,如竄改紀錄、改動原因與相關的日期時間、改動原因、電池狀態、適用費率、耗用量及其他更多資訊等。新顯示技術的另一個優點是可採用觸控式螢幕,尤其是家用測量計和能源閘道器。觸控技術讓測量解決方案變得更易於與人互動,現在使用者可瀏覽儲藏在單晶片系統內部記憶體中的大量資訊,像過去兩個月的耗用量、尖峰用量、每月計費及收費變動趨勢等。如此一來,消費者就能掌握更多資訊,進而有效運用、甚至節約能源。

資料來源:Direct Energy
圖4 能源消耗即時分析顯示頁面

藉由GPRS、乙太網路等通訊周邊的協助,服務供應商可將任何資訊迅速傳給消費者,如電子帳單、特別優惠時段、任何提示/訊息等。假設使用者想要收到公共設施測量計的付費提醒通知,服務供應商的伺服器便會透過乙太網路或GPRS,將相關的資訊送給該測量器,並以閃爍方式顯示在螢幕上。此外,如因維護作業造成服務中斷之類的訊息,也可以用類似的方式告知消費者,如此一來,就可省下以往傳統告知方式(如通知單)所花費的大量金錢,減少紙張的消耗,更增加環保效益。

這些智慧型顯示亦可用來降低電力/瓦斯/自來水的花費。許多國家都分別提供尖峰和離峰時間的耗用費率,因此只要能將耗電但並不急需的設備改到離峰時段操作,用戶便能大幅降低費用。現代的智慧型顯示在智慧型測量設備中扮演的要角,就是讓使用者得知所有的資訊,像是耗用方式等,都只須按幾個按鍵,或是碰幾下觸控螢幕,就可一目瞭然。

安全性與竄改防護重要性倍增

所有這些先進通訊模式的進步,也代表著駭客攻擊程度的提升,因此防止及偵測竄改事件,便變得日益重要。最簡單的竄改方式,莫過於更改單晶片系統,讓其無法偵測竄改,要防止這種竄改,就得以密碼保護單晶片系統裡的關鍵登錄器,或只有主管人員才能接觸到這些元件,這樣就可輕易預防未經授權的存取。然而,當主電源中斷、單晶片系統只能靠電池運作時,能源測量計會變得更為脆弱,因為只須拔除電池,測量計的計時、竄改防護等特定功能便會被關閉,因此,電池移除也應該被視為竄改事件類型之一,才能讓測量計對抗這類意外問題。

除了測量計本身須要保護,交換的資料也易於受到攻擊,同樣須要保護。以乙太網路連結的測量計非常容易被入侵,因此,網路層須要加上額外的安全演算法,以便保護測量網路。安全性及竄改偵測並不僅限於此。自動測量讀數(Automatic Meter Reading, AMR)雖然簡化讀數蒐集問題,但是仍有諸多易於受到竄改的地方,不法之徒會嘗試入侵AMR網路,盜取消費者的資訊,甚至竄改測量計單晶片系統的韌體,有心人士還可在網路戰爭時以此為武器。

以預付卡進行竄改,是另一個須特別注意的問題,才能保護服務供應商的財務利益。這需要在軟體及硬體層均採用良好的編碼、解碼演算法,才能防止預付卡的竄改,但是,基於安全因素,硬體解決方案往往較受歡迎。

AMR半網路解決方案崛起

目前,蒐集讀數是整個配送過程中最昂貴的部分,長久以來一直為人為錯誤所苦。此外,測量計的實際位置也是一大問題,尤其是偏遠地區或荒郊野外,但是有多種通訊周邊的協助,抄下的讀數可自動定期傳遞給服務供應商。現在測量計也不必裝置在室外以便人工抄表,而是可放置於室內任何位置,乙太網路或GPRS仍能輕易傳輸所有的相關資訊。

若服務供應商須自行鋪設整個網路,支援乙太網路的解決方案通常十分昂貴,這時便出現所謂的半網路解決方案(圖5)。在這種系統裡,會在小型區域網路內配置,如二十棟建築或直接配置在社區內,所有這些測量計都會連接到一個區域資料集中器上,然後集中器便會用兩種方式將資料/測量讀數傳送出去,亦即透過GPRS傳給中央閘道器,或是讓閘道器透過USB或紅外線/ZigBee發送器連結小型可攜式裝置,再把讀數上傳。

圖5 半網路解決方案架構圖

韌體更新時須不中斷服務

測量意味著必須即時取得和處理資料,一旦設備離線,將造成服務業者的損失。因此僅為升級韌體就必須將測量計電源關閉,將會導致該段期間內的能源耗用量無法記錄、甚至根本無法提供能源服務,為避免此種狀況,最好是可在測量計繼續啟動的情況下更新韌體。其中一項解決方案,就是將新的程式碼存入記憶體,當下一次從低功率模式恢復或重新開機時,單晶片系統便會從新程式碼儲存位置啟動,就可在不中斷服務的狀況下更新軟體,也毋須重新安裝測量計。

由上述探討可得知,元件功能整合風潮不僅是智慧型測量的發軔,也為正在尋求利基點的公司及挑戰自我的設計師帶來新的機會,並為其提供解決方案。

(本文作者任職於飛思卡爾)

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