數位家庭自動化與無線化

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數位家庭自動化與無線化

分類:3C資料

2007/05/03 11:34

歡迎進入機器人時代

這幾年機器人越來越熱門,已經不只是卡通幻想或廠房設備而已,雖然暫時還沒有辦法看到機器人掃街這等情景,但是自動吸塵器幫忙整理環境已經是很普通的事情。
對於未來的住家,每個人都有不同的想法,大部分都圍繞著一個概念「自動化」。有時候小說中會幻想有機器人幫你作一堆勞役,這很像就是未來的生活,其實未必如此。
若以功能論之,不一定要有個人模人樣的機器人來作幫我們做事,即便是車庫鐵捲門使用的遙控器,也可以視為一個寸步不離的門房,在美國賣到翻的吸塵器機器人Roomba,其實也只是個圓扁扁的盤子。要做出一個機器人能夠以人類的姿態為我們服務,可能這十年內都還達不到,所以產業界努力的方向是自動化,讓家中的各種裝備可以自動操作,或是受到中央電腦的管理,讓舒適的居住環境更加接近夢想。

最簡單的家庭自動化

世界首富比爾蓋茲的家中據說非常先進,按一下遙控器就可以控制各種電器,其實只要你願意,在自己家中也可以塑造類似環境。在電子零件賣場中,可以找 到一些實習套件進行遠端控制,從電腦拉一條線出來,送出從網路上收到的命令到套件上,而套件則接收命令開關電源。只要程式搭配得宜,佈線不要出錯,你就可 以在辦公室或是學校中,輕易控制家中的各種電器開關。
上述的作法只能控制電源開關,像是電燈或風扇就很適合,如果是冷氣機卻不行,還得想辦法調整溫度、風速才可以。但每間公司的各項產品都不一樣,如何才能作個萬用機器,面對所有家電與遙控器都可以按下正確的按鈕呢?

比較合理的想法是,反正這些家電內都內建接收按鈕命令的微電腦,藉以控制機器運轉,所以只要與該微電腦溝通就好,不必真的按下按鈕。令人遺憾的是,之前的努力未能持續下去,家電業不像電腦一樣,有個超級大哥英特爾可以出來制訂公開標準,連電視遙控器都不能統一規格,何況這種更複雜的需求,所以上世紀就開發成功的遠端網路控制,卻不能普及到日常生活中。
除 了欠缺統一標準來控制各種家電外,另一個問題則是佈線。現在人的生活離不開電腦,又需要網路做到遠端控制,所以自動化家庭中,所有的設備都可被電腦所控 制。各位讀者不妨回想一下,你的電腦後面有幾條線?不論是桌上型或筆記型電腦都一樣,接著想像家中所有的設備都需要線材相互連接的狀況,這麼多電纜線鐵定 會把家中搞成蜘蛛窩似的,繞線情況或許比台北市的快速道路還複雜。

需要無線網路方便家電相互溝通

要解決這問題,只能以無線技術連結這麼多的設備,包括感應家中的狀況與進行控制。當然無線網路不是唯一的解決方案,業界有另一個想法,既然幾乎每台家電都要插電,因此可以利用電力線通訊技術,每台機器一通電就自動連上網路,控制起來也相當便利。
那麼為什麼無線網路技術又敗部復活呢?主要的因素是這幾年無線網路技術進步得非常快,不但頻率大幅拉高,而且設備也更加省電。市面上出現了好幾種可用於家庭網路的技術規格,都強調一顆電池可以工作好幾年。
現在業界盡量挑省電的無線網路用於家庭自動化場合,其實是為了安裝方便與容易維護。所有需要插電的設備,都會跟著一條電線,至於手機、數位相機與個人電腦,雖然有電池作為後盾,但還是要搭配充電器,一樣可以視為離不開電源線。

如 果你想要安裝感應器的地方沒有插座,安裝時還得佈置延長線,讓家中已經夠凌亂的配線又多一條。因此我們希望家庭所使用的感測器,是可以輕易安裝拆除的,最 好是像便利貼一樣,隨手處理也不會破壞房子的裝潢。此外,姑且不論變壓器的效率問題,如果每台家電都要供電給無線網路系統,這代表它必須持續供電給這個小 東西,這對於一些小家電會造成困擾,無法使用現成的設計。

低功率長時間使用的無線網路技術ZigBee

現在的無線技術規格很多,一般電腦玩家最熟悉的是WLAN,又稱為WiFi,也可以寫全名IEEE 802.11,這是屬於高頻寬高耗電的系統。至於手機也是一種無線電裝置,我們現行使用的有PHS2G3G等通訊技術。很多手機上還搭配藍牙傳輸,可以與藍牙耳機相通。
但 這些技術都不適用於家庭自動化網路,家庭自動化網路的設計目的並不是傳遞大型影音資料,只需要發送簡單的控制信號,而且是好幾個小時、甚至幾天才送出一次 訊號。比如說,家裡的大門開啟一小時都沒人進出,感應器便會送訊號給中控電腦,以決定是否要用手機提醒主人,這些都是不常發生的事情。針對不同著眼點,提 出的家庭網路規格也不只一種,但以接受度來說,未來還是擁有低功率特性的ZigBee無線網路技術比較有發展潛力。
ZigBee
這種低功率模式很 適用於無線網路監測系統。以火災警示器來說,平常根本不需要動作,我們只要它在火災發生時趕快發出警報,所以ZigBee可以好幾秒鐘才檢查一次溫度計, 只要溫度沒有偏高就繼續休眠。如果是被動式檢查,那ZigBee就變成永遠在睡覺,當溫度計發現不對時,才會一腳踹醒ZigBee。基本上,只要是被動式 的防盜或安全系統,都適用於此方式,最多就是每日例行檢查,發個訊號出去,要各感應器自行回報目前工作狀態。
以前的無線電裝置非常耗電,現在導入 新技術與新概念之後,反而都在比誰的使用時間長。目前美國已規定,汽車輪胎要裝胎壓監視器,胎壓有問題時可以透過無線電提醒車主,有些廠商宣稱他們的設計 可以監測輪胎十年才換電池,根本比輪胎壽命還長N倍。另一方面,火災警報器是ZigBee廠商的推行重點,每次在宣傳ZigBee Sensor Network時都會提這玩意兒,還有文件宣稱他們可以在一間房子裡布置六萬四千個ZigBee火災感測器。不過這應該只是單純的技術規格探討,筆者認為 他們應該還沒有做過這種規模的實驗。

加裝感應器的無線網路

在學術上對這種掛上感應器(sensor)的無線網路有個名字,Wireless Sensor Network(無線感應網路)。無線感應網路的應用非常廣,一般家庭中有幾百種的可能應用,最簡單的像是燈光開關、電源開關,比較複雜的應用目前還在發 展中,比如監控房子各處的溫度,或是整間工廠的物流系統。
北美地區的房子一般比較大,而且位於需要暖氣設備的寒帶,在能源日趨昂貴的今天,便希望 能夠用無線感應網路監測整棟房子的暖氣需求並以中央電腦控制,避免沒有人的地方卻猛冒暖氣;或是暖氣調過頭變成浪費錢。如果換成台灣,則可以用來監測整棟 房子的空調設定,人多的地方冷氣開強一些,人少的地方則乾脆讓冷氣機休息。
無線感應網路的另一個應用是放在人體身上監測生理訊號,尤其是與數位家 庭結合更顯威力。有些研究會將ZigBee結合感測器附著在受測者身上,測量的信號包括體溫、血壓與心跳,有些甚至將重力加速感知器也安裝上去。其實一直 有研究想把重力加速感知器固定在老年人身上,一旦他們跌倒時,可以自動發出救援信號。
由於整間房子遍佈ZigBee無線網路,穿戴在身上的感應器 便不必耗費太多能量傳送資料至遠端主機,因此系統可以輕盈許多,而且如果身上穿戴了感測器,更可以與周邊裝置作結合,電腦可以根據使用者的體溫調節所在房 間溫度,甚至當使用者睡著了,家中電器也能自動進入省電模式。

無線感測網路令人期待

以目前ZigBee普及的速度來推估,當數位家庭走到這一步時,很有可能使用的已經不是ZigBee,而是ZigBee 3.0RuBee,甚至是尚未問世的技術。不過廠商們已經在布局,最慢明年就可以開始看到一些ZigBee在日常生活上的應用,甚至是搭配各種電器進行 功能控制。

什麼是Zigbee

ZigBee1998年開始發展,由Honeywell等公司組成的ZigBee Alliance所主導,著重於低耗電、低成本、感應式網路等功能之發展。在2001年,ZigBeeIEEE提案,正式納入IEEE 802.15.4標準規範中,自此ZigBee逐漸成為產業共通的短距離無線通訊技術之一。
WiFi一樣,ZigBee的頻率也是在 2.4GHz,但他用了許多方法來降低功率以延長電池壽命。比如說ZigBee會自動進入休眠狀態,而且休眠的時間高達99%,也就是說電池可以延長一百 倍壽命。原本對應一天使用的電池壽命變成一百天,待機三天就變成一年後才需要換電池。


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