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PHS、2G與3G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 3.0、RuBee，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？

ZigBee從1998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，ZigBee向IEEE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。
與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。