以电力系统为网路基础推展数位生活之研究.docx

以電力系統為網路基礎推展數位生活之研究鄭平守國立高雄應用科技大學電子工程系副教授pschengcc.kuas.edu.tw蔡尚峻國立高雄應用科技大學電子工程系研究生bgkmail.lcvs.kh.edu.tw吳建輝國立高雄應用科技大學電子工程系研究生wjh01吳旭斌國立高雄應用科技大學電子工程系研究生wushpmail.vtce.org.tw楊俊明國立高雄應用科技大學電子工程系研究生2093320103cc.kuas.edu.tw 摘要目前處於數位生活時代的我們，人性化的生活與管理以及資訊的獲得，將和數位網路有著更密切的相互結合，但是只有靠著網路通訊協定(TCP/IP)的道統網際網路，再也不能滿足以數位行動生活為訴求的現代人，在每一個家庭的生活必備基礎建設當中，遍佈在家中的電力線是建構一個家的主要設施，利用電力線來傳輸信號的技術，也已逐年的成熟發展，因此可以預見的未來，新型的全面性網路系統，都可以由這些已普及的節點隨時隨地，加以控制及傳送必要的訊號。資訊家電是數位生活中很重要的設備，這些數位資訊家電產品正從每一個面向，控制著我們的家庭與辦公生活，從起床到入睡。使我們不再為處理家裡的瑣事而煩惱。現下將是我們真正實現經由電力網路控制家電，享受新型網路所實現精彩的數位生活。本研究的主要目的是探討利用現有電力系統為網路基礎，再利用單晶片為控制單元，而形成一個小型區域網路的傳輸系統，將數據資料與控制命令等訊號，經由室內電源線的網路傳送，進行各項資訊的獲取以達成人性化的數位生活資訊的控制。我們已經完成一套【安全和有效的高性能電源監控系統】，這個系統的優點為具體實現家庭自動化的可能，可以避免錯綜複雜的接線，非常容易的安裝，可以很容易的增加模組，並且可以擴大適用範圍達到系統化，不同廠牌類型的資訊電氣設備產品也可以很容易的成為系統中的單元。對家庭自動化過程中的傳播技術有很明顯的幫助，第一代的系統已經可以很容易的設定並監控任何節點中資訊家電設備的電流，當電流過載有安全顧慮時，可以即時的切斷該資訊家電設備，並且即時的通知主系統，目前正朝向擴大系統的各項性能以及遠距監控等功能，進行研發第二代的【智慧型遠端數位監控系統】，期盼對人性化精彩的數位生活有所貢獻。關鍵字數位生活、資訊家電、家庭自動化、電力線傳輸、電力網路監控壹、引言工研院能資所針對未來智慧家庭中的智慧家電（Smart Appliance）予以定義。所謂智慧家電，泛指主要作為連結上網或是於原有功能中加入上網機製的裝置之統稱；其廣義的定義包含了具連網功能的消費性電子產品、遊戲機、網路電視、電子郵件收發裝置、汽車用裝置、連網家用電器及家庭自動化等產品。而這裡所指的上網或連網，可為連結廣域的服務網路或是區域的家庭網路，其主要目的在於將智慧家電作整合、連結，實現家電數位化、智慧化及系統整合化的功能。而目前家庭網路的技術，主要包含了IEEE1394、無線區域網路(WLAN）、電力線通訊（Power Line Communication, PLC）、家庭電話線網路（Home Phoneline Networking Alliance, HomePNA）、同軸電纜多媒體網路（Multimedia over Coax Alliance, MoCA）等。其中電力線網路（PLC）的技術是以家裡現有的電力線作為骨干網路，利用家家戶戶幾乎每個房間至少有一個電源插座作為家庭網路的界面，使用者無需重新架設網路，而是直接採用已經存在於家中的電力線作為網路，具安裝容易、即插即用、美觀大方等優點，所以電力網通訊成為現今各國家電廠商或通訊網路業者密切注意的技術焦點。目前完成開發的電力線控制網路通訊模組，即如同家電的網路卡，可內嵌或外加於家電產品上，作為控制命令訊息傳遞之用；目前此通訊模組符合美規SCP標準（未來也會涵蓋日規），可達7000bps之雙向通訊速率，可雙向轉譯美規SCP通訊協定及國內SAANET智慧家電控制協定；由日本家電業者發展出來的智慧家電產品與服務模式中可看出，這些業者是以系統化的模式來銷售硬體產品（智慧家電、感測器、終端機、接取點）與軟體服務（服務平台、服務內容），並與其他服務內容業者結合，提供系統化產品與服務給消費者。所以智慧家電的價值不在硬體本身，關鍵在於可以提供符合消費者需求的服務項目才是智慧家電產業關注的重點。圖一 智慧家電網路架構圖14貳、網路環境與數位生活數位家庭是一項高度產業技術整合及國際規格整合化產業，產業技術涵蓋了晶片設計、網路通訊、電子、資訊、家電設計、數位內容等產業技術，必須擁有強大技術整合能力，才能符合市場應用目標。英特爾亞太區協理汪佳慧認為，數位家庭是以各種數位傳輸技術，搭配上各式數位設備，以無線網路（或有線）連接起家庭各式各樣數位內容及服務功能，這與傳統電腦或家電有很大差異性，是一個全新的生活方式，讓消費者只要待在家中，就能夠自由自在地享受數位娛樂效果。大同公司林蔚山總經理表示：消費性電子產品正從類比走向數位，網路也從有線走向無線、寬頻，資訊及家電的產業界線日趨模糊。，由DLNA (Digital living Network Alliance)所定義的未來家庭網路的規範，在未來，我們家中的所有電器都可以連接在同一個網路之中，實現真正的網路化家庭。由圖二得知：數位家庭是一種整合的理念發展，家庭環境中的PC、消費電子產品（CE）和移動設備應能透過有線或無線網路，無縫協調地工作，從而共享家庭環境中的數位媒體。數位生活是從數位家所延伸的，不僅涉及家庭環境，還包含在途中、辦公室或家庭之外的任何其他場所共享內容。數位生活的遠景將透過實現無縫互用網路成為現實，為廣大消費者們提供他們迫切需要的各種應用，同時為製造商創造進行產品創新和差異的機會。圖二數位生活系統核心架構圖17由以上論述可以了解到，若要達到數位生活之推動，整合技術非常重要，如圖三所示，我們可以了解電腦網路、行動通訊與消費性電子廣播等網路必須加以整合，讓數位生活更能有效推展。若要建構此全球化網路所需耗費的時間、人力與金錢甚鉅。我們必須思考是否可從現有之設備中找尋一種替代之通訊管道。全球電力線分佈的普及率堪稱線中之王，遠高於乙太網路、電話線、有線電視，加上電力線在於一般家庭與企業當中，絕大部分都埋設於牆中，其實形同無線連接一般，因此電力線的傳輸有其有線連接的高速與廉價特性，有兼具無線連線的便利性與美觀。因此透過電力線做數據的傳輸，世界各國無不爭相研發。圖三數位生活之資料傳輸架構圖17參、電力系統在網路傳輸應用研究電力線架構並非運用於通訊，但透過相關的開發與研究，我們設法解決電力線通訊上的問題，以提高通訊品質，並實際應用於生活中，創造數位生活。一、電力系統概論電力系統顧名思義就是電力傳輸的基本通道，然而由於電力系統網路四通八達，尤其對於偏遠地區與郊區這些住戶與住戶之間沒有緊密相連的區域，電力線也都能夠將其牽連在一起，因此雖然電力線網路並非資料傳輸之媒介，但世界各國無不研發相關應用傳輸技術。電力是現代生活的基石，是經濟發展的動力。自從法蘭克林發現電的存在後，在往後的科技發展當中，電力一直是所有能源的核心，也是需求量最大的一種能源。隨著人類的族群分佈，幾乎有人類存在的地方就有電力的輸送，因此電力網路可以說是所有網路系統中，分佈最廣也是最密的有線網路系統。電力系統的主要架構如圖四所示。圖四電力系統輸電架構圖由於電能在傳送過程中為了減少能量耗損因此在出電廠前先將電能升壓到345KV輸送出去，再到各變電所進行降壓，而輸送到一般家庭用電降成110V的電壓，其整個電力輸送過程如圖五所示。圖五輸電變壓流程圖15二、電力線通訊研究目前電力線通訊主要應用於控制訊號的傳輸與數位資料的傳輸，以下分別針對此兩種傳輸模式提出相關實例，並提供相關應用與研究。(一)數位資料傳輸針對電力線通訊我們以Maxim公司的一顆型號為MAX2986的通訊晶片組為例，本晶片主要做數位資料傳送為主：圖六MAX2980外觀圖MAX2986 powerline transceiver採用最先進的CMOS設計技術，提供更高的性能和靈活性。這款高度集成的晶片內包含了MAC layer和PHY layer。MAX2986 digital baseband與配套器件MAX2980 analog front-end(AFE) 一起，可提供完整的高速電力線通信解決方案，完全兼容第三方HomePlug 1.0設備。MAX2986 digital transceiver採用Maxim先進的OFDM電力線引擎，提供高達14Mbps的自適應數據轉送速率。MAX2986的開放架構提供廣泛的可編程性、功能擴展能力、改善的MAC可測試性，便於性能的最優化處理。Maxim改進的OFDM技術允許對發送信號的功率譜密度任意整形，以適應任何期望的副載波設置，並將頻譜零點安排在任何不希望有干擾的頻點。通道自適應和干擾抑制功能保證了MAX2986的出色性能。器件可提供帶有密鑰管理的56位DES加密保護來確保通信的私密性。MAX2986支持IEEE 802.03 standard media independent interface(MII)、reduced media independent interface(rMII)、緩沖FIFO數據通信、IEEE 802.03兼容的10/100 乙太網MAC以及USB 1.1界面。透過這些界面，MAX2986幾乎可與所有數據通信器件配套，並應用於各式訊息設備中。我們就powerline analog front-end來探討其特性圖七powerline analog front-endn 高度的可積體化電路裡包含了ADC, DAC, filters, HP line driver, receiver等。n 10 bit bi-directional data bus for the ADC和DAC以50MHZ 取樣且資料以10 bit雙向data bus傳送。n 64 pin LQFP封包。 n 提供最低的 overall front end cost solution。相關的應用方向如下：² Broadband Over Powerlines ² Local Area Networks ² Audio Over Powerlines ² Voice Over Powerlines ² Industrial Automation ² Home Automation ² Security (Cameras/Sensors) ² Safety (Smoke Detectors/Alarms) ² Multimedia (High-Speed Audio and Video Transmission(二)控制訊號傳輸我們研製出一套可以利用電力線系統，傳輸控制訊號，實現家電自動控制之目的，其設計架構如圖八所示。圖八電力線控制訊號系統架構圖研究系統架構：設計一個主機及多個可擴充之子機控制器，所有的控制器(包含主機)皆利用插座插入屋內任意的插座，且可任意的更改插座位置，前題是要在同一間屋內。如此主機可控制子機(即家電用品)的啟動及開關，並可設定家電用品的額定電流，而子機的任務除接收主機的命令之外，另一項重要的功能是隨時監控家電用品的電流量，並回報主機，當不正當使用，即超過主機設定的額定電流時，會立即的切斷且發出警報，如此，不但能監控家電用品的使用情形，更能防止電器設備不正當使用所引起的危險事故發生。目前我們已經能夠透過電力線系統傳送控制訊號，使得【安全和有效的高性能電源監控系統】具體實現家庭自動化的可能，可以避免錯綜複雜的接線，安裝容易，也很容易的增加模組，並且可以擴大適用範圍達到系統化，不同廠牌類型的資訊電氣設備產品也可以成為系統中的元件。對家庭自動化過程中的傳播技術有很明顯的幫助，第一代的系統已經可以很容易的設定並監控任何節點中資訊家電設備的電流，當電流過載有安全顧慮時，可以即時的切斷該資訊家電設備，並且即時的通知主系統，目前正朝向擴大系統的各項性能以及能透過電力系統傳輸影音資料以達到遠距監控等功能，進而研發【智慧型遠端數位監控系統】。(三)電力線通訊應用智慧型遠端數位影像監控系統雖然市面上保全系統主要採用有線系統與無線系統兩大類：其中有線保全系統之優點是通訊穩定，價格便宜。但其缺點主要為有線保全系統因為佈線不易，也且容易破壞美觀，入侵者也很容易破壞其線路，造成很大的危險性。無線保全系統雖然安裝容易，但是卻存在兩個主要的問題，第一個問題，無線保全發射功率不一，所產生之電磁波對人體危害的情況雖未獲得證實，但卻仍可能對屋主造成心理上的恐慌，另外一個影響較大的重點在於訊號無法穿牆的問題存在，由於無線電波訊號無法穿牆，即便是有辦法穿牆也會使得訊號衰落嚴重，這樣對於通訊的品質上值得考驗。尤其針對台灣地區很多透天房屋，可能會有很大的挑戰。家庭網路為數位家庭的必要基礎建設，未來數位家庭設備都將具備有網路連結的功能，然而未來數位家庭不太可能由單一技術所獨占7。電力線網路之別名又稱為Home Plug，若以電力線為傳輸媒介，每個插座都可以是資訊接口，更能有效裝設各項監測器或感測器，使得遠端影像監控系統發揮到極至。 家居訊息化、智慧化是現代住宅的發展方向，可是，當我們把家庭智慧化的概念炒得鋪天蓋地，E概念成了最時髦的說法的時候，人們往往忽略了在家居智慧化中擔當重要角色的弱電佈線系統，很多人甚至還停留在以為只要拉一根線就可以了的認識誤區，事實上，無論何種智慧化控制設備，都需要透過某種傳輸模式進行信號傳送，才能實現智慧化控制。通常，我們可以採用的模式有無線和有線兩類，無線傳輸模式（如藍牙技術、紅外技術等）的缺點在於造價大大高於有線傳輸模式，同時，信號傳輸的穩定性、系統的易維護性等也不如有線傳輸模式，但無線模式非常靈活，在這一點上，有線模式是無法比擬的。在現代家庭的智慧化佈線中，有線傳輸模式占絕對的主導地位，無線傳輸模式僅僅作為一種補充。我們可以看出利用電力線系統為網路基礎，所建構出來的家庭網路系統整合了電話線、網路線、與電力線，因此我們可以降低線材的使用量，並擁有電力線佈於牆中的隱密優點，對於整體家庭美觀有十足的加分效果如圖九所示。圖九家庭電力系統傳輸應用示意圖12本系統架構透過各項感測器當作訊號觸發端，一但有外力入侵觸發，可透過電力線網路將訊號傳送到系統主機，利用GSM撥號模組，可連絡屋主之視窗化終端機或警察等相關單位，並接收監視設備所傳送之影像訊號，如此可構成遠端監控系統，其系統如【圖十】所示本系統分成感測元件模組、系統主機、個人終端機、通訊模組。圖十智慧型遠端影像監控系統架構圖(四)電力線通訊相關研究在國內的相關電力線傳輸研究中，我們尋找許多相關論文文獻，分析國內研究電力線傳輸的發展方向，由於電力線並非以傳輸數據為主要用途考量，電力線對不同頻率產生不同的衰減，距離的長度與電器設備的多寡等干擾因素，也會影響資料傳輸的遺失率4。經我們研究發現電力線傳輸最主要遇到的瓶頸主要以雜訊量過大、訊號衰減嚴重1 6與資料傳輸安全2，論文研究大致以利用正交分頻多工解決電力線傳輸問題或具體實現電力線傳輸為主要方向，以正交分頻多工解決電力線傳輸問題所發表之論文。針對訊號干擾與衰減問題分別有學者提出利用OFDM信號之功率分配於電力線通訊系統電力線通道以多重路徑的角度建立電力線通道模型，和各種雜訊模型，以利於系統模擬。並設計一套有效克服因電力線非理想因素所造成的干擾或失真的基頻通訊系統，並且結合不同子頻帶功率分配的方法和錯誤更正碼以克服電力線非理想效應所造成的效能不佳10。然而正交分頻多工系統對頻率漂移非常地敏感，所以同步是正交分頻多工系統的一大課題；頻率同步的步驟可分為兩步：首先取得( acquisition )頻率漂移範圍，再做頻率追蹤( tracking )的動作3。所以有學者提出正交分頻多工系統在電力線通訊通道下的同步問題。目前HomePlug的產品也多已朝向與現有的WLAN及Ethernet並存的型態出現，並積極找出更多好的應用機會，已提高技術更廣泛的進入家庭8。以達到多面向的應用。肆、以電力系統為網路實現數位生活透過圖十一我們可以得知：未來數位生活發展趨勢當中發現，電力線傳輸在數位家庭領域當中，也佔有一席之地。若我們以電力線插座為資訊插座，我們可以達到如分享網際網路頻寬；分配影音；自動家電控制；使用電話系統；網路共享設備；觀看電視節目。隨著訊息時代的到來，社會在進步，經濟在發展，新科技不斷湧現，建築、家居智慧化的浪潮已逐漸興起，多部電話、多台電視、電腦上寬帶網、多台電腦聯網、背景音樂、家庭影院共享、自動報警、可視對講門鈴、電視監控等等系統在大廈或家居中的應用已是越來越普遍。從發展趨勢上看，智慧家電的日益普及是一種必然。根據美國一家威權市場調查機構預計，到2003年，全球智慧家電產業的市場總值將高達4500億美元，預計今後兩年內將有近1億的家庭構建家庭網路。據預測，到2010年，中國的家庭智慧化將達到60以上。5若我們能利用電力線系統建構完整的網路環境，數位生活就如同電力線分佈一般，無所不在。圖十一數位生活未來趨勢圖9伍、參考文獻1 Consumer Electronic Group of EIA, “EIA-709.2 Control Network Power Line (PL) Channel Specification”, 19992 L.T. 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