雙向通信智能電表推動(dòng)智能化聯(lián)網(wǎng)

　　隨著個(gè)人和產(chǎn)業(yè)以創(chuàng)新性的方式來(lái)使用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備數(shù)量持續(xù)快速增長(zhǎng)。機(jī)器到機(jī)器(M2M)通信具有無(wú)限的可能性，對(duì)于正在興起的智能能源來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較突出的技術(shù)領(lǐng)域。隨著家庭電表、個(gè)人設(shè)備和電器開始相互連接，將形成一個(gè)更大的和更加全面的環(huán)境，有利于人們做出更加明智的能源消費(fèi)決策。把家庭與本地互聯(lián)網(wǎng)中的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到智能電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)主與電力公司之間的雙向通信，這樣的情景正在日益成為現(xiàn)實(shí)。

　　據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司IHS預(yù)測(cè)指出，到2016年年底，全球智能電表的安裝量將翻番，推動(dòng)通信電表達(dá)到35%左右的滲透率。IHS表示，截止到2011年年底，在全球已安裝的14.3億臺(tái)電表中，帶有“智能”通信功能的電表占比不到18%。而且這些電表包括老式的單向先進(jìn)抄表系統(tǒng)(AMR)和帶有通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)功能的商業(yè)與工業(yè)電表，以及可提供雙向通信的住宅用智能電表。

　　圖1：到2016年，通信電表的滲透率將逐步提高。

　　據(jù)IHS公司，從2012年到2014年，全球智能電表出貨量將保持穩(wěn)定，并且依賴中國(guó)、巴西和印度等發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體。隨著歐洲智能電表項(xiàng)目的投入運(yùn)行，全球智能電表出貨量將在2015年出現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。IHS公司表示，預(yù)計(jì)各種固定網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電表將在全球各地安裝，從比較簡(jiǎn)單的RS485有線型電表到下一代智能雙向PLC-OFDM電表。其中，中國(guó)目前被視為“高級(jí)電表唯一的一個(gè)重要市場(chǎng)”，2011年智能電表出貨量達(dá)4,000萬(wàn)個(gè)左右。

　　IMS Research公司的首席分析師Markides評(píng)論道：“未來(lái)五年，多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家和正在進(jìn)行工業(yè)化的發(fā)展中國(guó)家，其智能電表市場(chǎng)將蓬勃發(fā)展。不論是為了節(jié)省勞動(dòng)力成本，配合其它智能電網(wǎng)計(jì)劃，還是為了降低非技術(shù)性損耗，全球各地的電力企業(yè)都在加快采用智能電表?！?/P>

　　本文將全面介紹Smart Energy Profile 2.0(SEP)，這是智能能源市場(chǎng)中新出現(xiàn)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，由ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)開發(fā)。如果對(duì)SEP 2.0有一些基本的了解，軟件開發(fā)者就能更好地選擇適合智能能源應(yīng)用開發(fā)的嵌入軟件。

　　物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)新前沿

　　物聯(lián)網(wǎng)是非常流行的概念，描繪出一副激動(dòng)人心的未來(lái)圖景：冰箱可以自己檢查儲(chǔ)藏了哪些食品，在你快要下班時(shí)通過(guò)郵件給你發(fā)送一份食品采購(gòu)清單;你的住宅把室溫調(diào)整到最佳水平，準(zhǔn)備迎接你;烤箱預(yù)熱食物，為晚餐做準(zhǔn)備。內(nèi)嵌功能強(qiáng)大的處理器、傳感器和無(wú)線連接性的器件快速增長(zhǎng)，給設(shè)備帶來(lái)更多的功能及更高的智能，引領(lǐng)我們走向智能聯(lián)網(wǎng)世界。

　　這些技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用是改善能源消費(fèi)，也稱為“智能能源”。智能能源的概念，就是在家庭內(nèi)部控制能源使用，以及利用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)從家庭外部控制能源使用，目標(biāo)是優(yōu)化能源生產(chǎn)、分配和使用。家庭網(wǎng)絡(luò)與電網(wǎng)之間的雙向通信，為改善該應(yīng)用的可靠性與穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件。

　　智能電網(wǎng)與智能家庭(智能電器，網(wǎng)關(guān)等等)以及智能表(電表，煤氣表，水表)是智能能源生態(tài)系統(tǒng)中的關(guān)鍵要素。智能家電通常是那些消費(fèi)者每天都要接觸的設(shè)備。讓這些設(shè)備能夠彼此通信，而且消費(fèi)者可以對(duì)其加以控制，將帶來(lái)極大的便利。有一些產(chǎn)品(智能恒溫器、智能開關(guān)、智能冰箱等等)，目前已經(jīng)具備一定程度的智能和無(wú)線連接性。有些比較先進(jìn)的電器具有內(nèi)置Web服務(wù)器，可以與聯(lián)網(wǎng)家庭中的其它設(shè)備互動(dòng)。智能電表是這些家庭(和辦公室)的網(wǎng)關(guān)，收集和測(cè)量資源使用情況，然后與智能電網(wǎng)分享其中的部分或者全部信息。隨后智能電網(wǎng)再根據(jù)這些信息采取必要措施，比如負(fù)荷調(diào)整、削峰，甚至是需求方面的管理。

　　智能能源設(shè)備，除了要執(zhí)行自身的標(biāo)準(zhǔn)功能以外，還必須能夠與本地網(wǎng)絡(luò)中的其它智能能源設(shè)備進(jìn)行通信，能發(fā)送和接收相關(guān)信息(計(jì)費(fèi)、使用量、提醒等等)。數(shù)據(jù)的交換不僅可以改善整體效率和容錯(cuò)，而且可以優(yōu)化能源消耗情況。智能電表收集使用量數(shù)據(jù)并發(fā)送給能源提供商，并使得消費(fèi)者能夠監(jiān)控和管理自己的能源消費(fèi)。換句話說(shuō)，使用量數(shù)據(jù)從消費(fèi)者流向能源提供商，同時(shí)，計(jì)價(jià)數(shù)據(jù)則從能源提供商流向消費(fèi)者。這種雙向信息流動(dòng)使得消費(fèi)者可以自主管理能源消費(fèi)。這種雙向的實(shí)時(shí)通信，使能源提供商能夠改善計(jì)劃工作和能源銷售。

　　對(duì)智能能源設(shè)計(jì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化

　　隨著多家制造商在設(shè)計(jì)智能能源系統(tǒng)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備應(yīng)該能夠互操作，這點(diǎn)變得日益明顯。ZigBee聯(lián)盟正在制訂一個(gè)名為“Smart Energy Profile 2.0(SEP 2.0)”的標(biāo)準(zhǔn)，以幫助規(guī)范對(duì)智能能源生態(tài)系統(tǒng)的許多環(huán)節(jié)的要求，包括設(shè)備通信、連接性和信息共享等。

　　SEP 2.0指導(dǎo)設(shè)備之間如何相互通信。它定義了可以控制的各種設(shè)備屬性，這些屬性(也被稱為“資源”)分成邏輯組一起運(yùn)行，執(zhí)行SEP 2.0的各種功能(被稱為“指令集”)。例如，抄表系統(tǒng)或計(jì)費(fèi)系統(tǒng)都是專用指令集。智能電表等設(shè)備執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)指令集，提供用量統(tǒng)計(jì)和趨勢(shì)等增值服務(wù)。能源提供商或者消費(fèi)者可以利用這些費(fèi)用統(tǒng)計(jì)與趨勢(shì)，分別加強(qiáng)對(duì)服務(wù)或者使用情況的管理。

　　指令集及其在設(shè)備中的資源可以通過(guò)HTTP URL訪問。這些設(shè)備利用mDNS和DNS-SD等技術(shù)，動(dòng)態(tài)地尋找網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)服務(wù)，然后自行注冊(cè)，進(jìn)一步訪問其它資源來(lái)執(zhí)行SEP 2.0功能。為了創(chuàng)造真正的可以互操作的聯(lián)網(wǎng)智能能源設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)，必須使用基于TCP/UDP和IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。設(shè)備支持安全特性非常重要，因?yàn)橥鈬W(wǎng)絡(luò)可能帶來(lái)安全隱患，而且更重要的是，設(shè)備還向能源網(wǎng)絡(luò)提供訪問權(quán)限。由于許多智能設(shè)備提供連續(xù)的、可靠的和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，所以他們必須“永遠(yuǎn)在線”和“保持連接”，這要求所有智能能源設(shè)備自身必須節(jié)能。最后，他們也必須支持有線及無(wú)線聯(lián)網(wǎng)。

　　多數(shù)現(xiàn)有家用電器不支持M2M的先進(jìn)功能，因此要把許多不同的功能整合到一個(gè)單一設(shè)備之中，意味著要進(jìn)行大幅度的和代價(jià)高昂的硬件升級(jí)，這將導(dǎo)致材料費(fèi)用和成本上漲。制造商必須權(quán)衡提供支持智能能源的電器所帶來(lái)的好處，以及隨之而來(lái)的額外成本。

　　將來(lái)，家電廠商將擁有更多的選擇，可以找到具有成本效益的解決方案來(lái)設(shè)計(jì)支持通知能源的家電。這些家用電器可以選擇系統(tǒng)芯片(SoC)硬件，因其功能、外形尺寸、軟件支持和成本之間可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)钠胶狻?2位微控制器(MCU)兼具處理能力、內(nèi)存和連接性，也是一個(gè)有力的候選者。當(dāng)前一代的微控制器，比如飛思卡爾Kinetis、意法半導(dǎo)體STM32或德州儀器Stellaris(ARM Cortex-M內(nèi)核)，以非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格提供眾多特點(diǎn)和功能。選擇合適的硬件只是一個(gè)開端，軟件選擇才是決定產(chǎn)品差異化的要素。

　　SEP 2.0標(biāo)準(zhǔn)提出的軟件技術(shù)要求包括：一個(gè)支持UDP的多功能TCP/IP堆棧;具有mDNS和DNS-SD等動(dòng)態(tài)服務(wù)發(fā)現(xiàn)能力的IPv6服務(wù);支持GET、PUT、POST和DELETE等簡(jiǎn)單指令的HTTP執(zhí)行。SEP 2.0也要求支持SSL/TLS等安全標(biāo)準(zhǔn)，以及幾種現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，比如RESTful架構(gòu)、XML和EXI編碼。Linux就廣泛支持這些軟件，但不幸的是，使用RAM為96K至128K的微控制器，把Linux排除在外了。而自己開發(fā)這樣的技術(shù)需要大筆資金和大量時(shí)間，這促使人們可能在這些設(shè)備中采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。

　　RTOS不僅速度快和效率高，而且穩(wěn)定可靠，他們通常包括一個(gè)廣泛的網(wǎng)絡(luò)堆棧、支持使用SSL或TLS等安全技術(shù)，而且肯定會(huì)符合對(duì)占位面積的嚴(yán)格限制以及這些設(shè)備對(duì)于內(nèi)存的其它要求。Mentor Graphics公司推出的Nucleus RTOS這是這樣一種解決方案。Nucleus是一種得到廣泛采用的可以擴(kuò)展的RTOS，符合所有智能電網(wǎng)設(shè)備的要求。它既有穩(wěn)固的實(shí)時(shí)性能，也有集成的電源管理服務(wù)。這樣的RTOS可以入駐內(nèi)存局促的MCU，同時(shí)仍能提供聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)設(shè)備所要求的大多數(shù)功能。

　　結(jié)論

　　預(yù)計(jì)智能電網(wǎng)技術(shù)將迅速得到采納，因此設(shè)計(jì)出把材料成本控制在最低水平的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將是制造商面臨的重大挑戰(zhàn)。為了開發(fā)出符合SEP 2.0標(biāo)準(zhǔn)的一款設(shè)備，自己開展軟件設(shè)計(jì)可能并不可行，因?yàn)樾枰獫M足大量的功能要求，而且自己需要投入大量的開發(fā)精力。而另一個(gè)極端，即采用一種通用操作系統(tǒng)，則需對(duì)硬件資源進(jìn)行大幅升級(jí)，這將帶來(lái)不可接受的成本增長(zhǎng)。設(shè)備制造商在選擇軟件設(shè)計(jì)與硬件平臺(tái)時(shí)，必須做出正確的平衡。采用一種提供全面聯(lián)網(wǎng)支持(有線和無(wú)線)、可擴(kuò)展的、節(jié)能的、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，配以現(xiàn)在市場(chǎng)上有售的一款32位MCU，是最接近滿足上述這些要求的一種方案。根據(jù)這種設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)師將大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)全部智能電網(wǎng)應(yīng)用的目標(biāo)。