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ZigBee联盟制定智能能源规范(SEP2.0) 能源消耗决策的问题

随着个人和行业使用互连设备和网络的方法不断推陈出新,可以定义为“物联网”组成部分的设备数量持续快速增长。让机器与机器进行通信(M2M)具有无限可能性,这也是新兴智能能源更为突出的技术领域之一。随着家用电表、个人设备和各种电器开始相互连接,关于如何做出更为明智的能源消耗决策的问题,将需要一个更大、更全面的解决方案。将家庭和局域网上的设备接入一个智能电网,使业主和电力公司之间进行双向通信,已指日可待。

物联网的新前沿

“物联网”是个时髦的字眼,能够让人联想到令人兴奋的未来愿景。到那时,你的冰箱可以自我检查其中的食物,并在你准备下班时通过Email给你发一个杂货购物清单(并不是说杂货店购物是一个很令人兴奋的体验);然后你的房子开始为你的回家做准备,将温度调整到最佳值;烤箱可以为晚餐进行预热。越来越多的设备成为同时嵌入有强大功能的微处理器以及传感器的集成装置,并实现无线连接,使得设备的功能更多,更加智能,这将我们引入一个智能化互连网络的世界。

图1:能源供应商、全国范围的智能电网的发展以及有节能意识的消费者将共同开辟一个智能能源使用的新时代。
这套技术的应用之一是改善能源消耗,也叫做智能能源。智能能源背后的理念是对内(即在家里)和对外(即从家里到外面的连接设备、网络和智能电网本身)进行能源使用控制,一切都为了实现优化能源生产、输送和使用的目标。家庭网络和电网的双向通信带来了可靠性和可持续性改进的可能性。
图2:在典型的智能家居里,洗衣机、家庭用电显示器和电表等设备协调工作,使得家庭和电网更加智能。
 

巧用智能能源

智能电网和智能家居(Novell.html' target='_blank'>智能家电,网关等等)和智能计量表(电表,煤气表,水表)是智能能源生态系统的主要元素。智能家电一般是消费者每天都要互动的设备。通过让这些设备互相对话,并且能够为消费者所操控,这样就增添了一个全新的便利(图2)。如今市面有几种产品可以提供一定程度的智能和无线连接(比如智能恒温器、智能开关、智能冰箱等等)。一些更高端的电器包括有内置网络服务器,可与联网家庭中的其他设备互动。智能计量表是进入这些家庭(及办公室)的入口,在和智能电网共享部分或者全部信息之前收集并测量资源使用情况。反过来,智能电网根据这些信息采取必要的措施,如负荷调整、峰值削减,甚至是需求方管理等。

智能能源设备,除了执行它们的标准功能外,必须能够在局域网内和其它智能能源设备通信,并发送和接收相关信息(计费、使用情况、预警等)。数据交换不仅能够改善总体效率和容错性,还能优化能源消耗。智能计量表收集并将使用数据传输给能源提供商,让消费者有能力操控并管理自己的能源消耗。换句话说,使用数据从消费者流向能源提供商,同时,计费数据从能源提供商流向消费者。双向信息流使得消费者能够做出决策来管理其能源消耗。这种双向、实时通信使能源供应商可以改善能源规划和能源输送。

标准化的智能能源设计

随着众多制造商纷纷设计智能能源系统,因此所有设备都在一个网络中交互操作,这一点越来越明显。ZigBee联盟正在制定一项规范,即智能能源规范(SEP2.0),来帮助对智能能源生态系统的许多方面的要求进行规范化。这些要求包括设备通信、连接和信息共享。

SEP2.0提供了指南,规定设备之间应当如何互相通信。该指南为各种可控的设备属性做出了明确规定。这些属性(也称为“资源”)在逻辑组中共同运作,执行SEP2.0功能(称为功能集)。计量系统或者计价系统,都是特定应用的功能集方面的例子。比如智能计量表这样的设备,执行一个或多个功能集来提供用量统计和趋势情况等附加值服务。然后,这些计价统计和趋势情况数据可为能源提供商或者消费者使用,分别用来管理服务或者能源使用。

功能集及其在设备上的资源通过HTTP URL来获取。这些设备在使用诸如mDNS和DNS-SD技术的网络上动态发现相关服务,并且在注册后可进一步获取资源来执行SEP2.0功能。要为互联的智能能源设备提供一个真正的互操作生态系统,就必需使用TCP/UDP和基于IP的网络连接。由于这些设备直接面向外界更大的网络,并且能够通过这些设备对整体的电网提供了连接,因此支持设备内的安全特性极为重要。由于许多智能设备要提供连续的、可靠的实时数据,它们必须处于“长开模式”和“已连接”状态。这样就必须确保所有智能能源设备本身要足够节能。最后,它们必须同时支持有线和无线网络性能。

互连设备的硬件

现有的大多数家用电器设备不支持新兴的机器对机器(M2M)交流这一高级功能,因此将许多不同的性能集成在一个设备中意味着需要进行重大而且高昂的硬件更新换代,最终导致材料和成本大大增加。制造商必须平衡好生产智能能源电器带来的收益和额外的成本之间的关系。

此外,电器制造商有更多的选项以找到设计家用智能能源设备时节省成本的方案。为这些家用电器设备选择SoC硬件,应当在功能性、外观、软件支持和成本之间找到恰当的平衡。32位MCU具有集处理、存储和连通于一体的特性,使其成为一个不错的选择。目前这一代MCU,比如Freescale Kinetis、STMicroelectronics STM32或TI Stellaris(ARM Cortex-M core),功能齐全且价格诱人。选择合适的硬件仅仅是个开始。众多影响因素的区分点还在于软件的选择。

图3:一项可支持大量外围设备、靠实时操作系统驱动(如Nucleus RTOS)、可提供SEP2.0要求的所有服务项目的硬件设计示例。

选择合适的软件

SEP2.0规范制定的软件技术要求包括:有UDP支持的TCP/IP;具有诸如mDNS和DNS-SD等动态服务发现性能的IPv6服务;支持GET、PUT、POST和DELETE等基元的HTTP执行。SEP2.0同时要求支持诸如SSL/TLS的安全实现和若干现代网络技术,比如RESTful架构、XML、EXI编码方案等。这样对软件技术的大范围支持在Linux上很容易实现,但是遗憾的是,配备96K到128K大小RAM的微处理器的使用与Linux不兼容。开发这样的内部技术非常昂贵和费时,因此可能会对这些设备安装实时操作系统。

实时操作系统(RTOS)不仅快速、高效和可靠,它们一般包括一个大范围的网络协议栈,对使用SSL或者TLS的安全性提供有力支持,而且大部分都满足这些设备体积严重受限的要求及其它存储要求。由Mentor Graphics提供的Nucleus实时操作系统是该种解决方案的一个例子(图3)。Nucleus得到了广泛使用。实时操作系统可升级,满足了所有智能电网设备的要求。它既有可靠的实时性能,并且集成了能源管理服务功能。这样的实时操作系统可以安装在存储器受限的微控制器上,仍然可以提供联网的智能电网设备要求的大量功能。

结论

随着采用智能电网技术的预期快速增长,设计完全兼容的设备并且保持最低的材料成本,是生产制造商面临的一大挑战。要创造一款符合SEP2.0规范的设备,自行独立开发的软件设计可能不是一个好选择,因为功能性要求非常多并且内部开发成本昂贵。另一种极端情况是,使用通用的操作系统会导致难以接受的成本增加,因此对硬件资源的升级换代需求大大增加。设备制造商需要在选择软件设计和硬件平台时找到恰当的平衡。使用可升级,节能,具有大范围网络支持(有线和无线)的实时操作系统,以及一款目前市场有售的32位微处理器可能是目前能够满足所有这些要求的最佳途径。根据这一设计方针,设计人员将大大减少他们将产品投入市场所需的时间,同时也能实现他们的智能电网应用目标。

作者介绍

Srinath Balaraman是Mentor Graphics公司的嵌入式软件部(也称为Mentor Embedded)的软件开发工程师。他在Mentor已工作八年,负责的主要领域为Nucleus实时操作系统的网络和安全产品的设计和开发。Srinath毕业于南阿拉巴马大学,获计算机和信息科学硕士学位。

 

Anil Khanna拥有15年的技术和产品营销经验,同时也有设计自动化工具(EDA)和可编程逻辑硬件设计方面的经验。Anil目前是Mentor嵌入式软件部Sourcery Tools的高级产品营销经理。在调入Mentor嵌入式软件部之前,Anil主要负责Mentor的包括Catapult和Precision Synthesis在内的ASIC/FPGA综合解决方案的全球市场开发。Anil毕业于俄勒冈波特兰州立大学,获电子和计算机工程硕士学位。


(责任编辑:ioter)

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