建構大規模低功耗物聯網世界


Wi-SUN加速實現智慧城市


2022 年 3 月 1 日 - Wi-SUN是近年備受行業矚目的LPWAN低功耗廣域網路成員,其技術優勢被廣泛應用在智慧電錶與智慧電網領域。

Wi-SUN技術特色主要有二,一個是Mesh網狀網路,這使得Wi-SUN可以進行長距離傳輸且具備自動組網與自動修復功能;其二是具備主動亂數跳頻,由於Wi-SUN使用的是Sub-GHz頻段,一般在此頻段會受較多的雜訊干擾,但由於Wi-SUN具備主動亂數跳頻機制,可以使其訊號在受到雜訊干擾時主動選擇其他較乾淨的頻段進行資訊傳輸,有效降低組網時間。

濎通科技股份有限公司(簡稱濎通)的Wi-SUN晶片VC7300在1,000個節點組網規模下,6級跳頻組網約20分鐘,單級組網只需10分鐘,具有可視網路拓撲,雲端管理容易,具備企業級資訊安全防護。VC7300在用戶端之應用目前已實現支持多達3,000個以上節點的網狀網路組網,不僅有Mesh網狀網路功能,還可以穿過地下室和金屬障礙物進行傳輸,兼具IPv6、雙向通訊、遠端升級等優勢。

在5G浪潮推波助瀾下帶動各種物聯網應用需求大幅增長,濎通已在智慧電錶、智慧路燈、光伏發電廠、智慧低配電櫃等領域上陸續建立成功應用案例。


Wi-SUN強化物聯網通訊資安防護

濎通研發的Wi-SUN晶片VC7300已完成3000個Wi-SUN FAN節點的網狀網絡(mesh)佈署,並透過本地公開金鑰基礎架構(PKI,public-key infrastructure)集成,為網路上的每個設備提供安全認證,以確保設備不會被惡意修改程式,為客戶提供企業級資安防護。為提升物聯網通訊的資安防護,濎通持續優化網狀網路並加強資安防護,在基於IPv6身份認證的加密架構下,提供經驗證的網路安全認證機制。

其關鍵在於Wi-SUN FAN運用IEEE 802.15.4的強大AES(Advanced Encryption Standard)連結層安全功能提供封包加密,並且運用IETF EAP-TLS做入網認證,及以IEEE 802.11i做密鑰管理,這意味著Wi-SUN FAN網狀網絡的每個節點不僅有訊息加密和真實性檢查,而且在入網前還需進行身份驗證。

由於物聯網節點眾多,容易遭受外部攻擊,Wi-SUN FAN特性是支援IPv6協議,能實現基於IP的設備身份驗證與加密通信,每個節點都儲存一個受信任的加密數位憑證,用以證明節點確實被授權與網路上的其他設備通信,嚴格的檢驗流程可確保網路不被駭客蓄意安插節點,或者設備沒有被人為篡改或安裝惡意軟體,有效提升網路安全性,有效解決每一連網設備都是資安洩漏節點的問題。

物聯網通信需要絕佳資安方案, Wi-SUN聯盟提出網狀網路拓樸(mesh topology),開放標準(open standard)與認證(certification),是資安解決方案的三個重要因素。

網狀網路(mesh network)能在網路中保持節點之間的連續連接,且可以減輕部署的中斷和安全性漏洞;而開放標準的產生是經由許多專家精心設計和審查,專家們透過不斷分析漏洞,並在必要時進行更新,有助於即時提高其安全性;反之,若由一家公司創建的私有協議就無法汲取眾多專家們的專業與經驗。


Wi-SUN智慧照明解決方案

傳統的室內照明經常會遇到以下幾個問題:

1. 燈具無法按需求調節亮度

2. 燈具長時間運行,浪費電力

3. 無法遠端控制或監測重要資訊

4. 無法得知工作時間或確認的電力消耗

5. 維護成本高、依賴群眾上報照明故障

基此,在日新月異的通訊科技的助力下,我們得以將傳統室內照明升級為智能照明。智能照明的功能包括遠程控制、定時控制、溫濕度感測、照明情境設定等,進而達到節電效果。

一般將傳統照明升級為智慧照明,常用的通訊方式不外乎電力線通訊與無線通訊兩種。但是一般電力線通訊會遇到人工佈線十分繁瑣且耗時;而無線通訊方式,例如WiFi,容易遭受通訊距離短、穿透性差;而Zigbee又有2.4Ghz頻段易受雜訊干擾的問題。

因此,濎通認為由於Wi-SUN通訊技術有以下四大特色,因此適合應用在智能照明上,包括:

1. 即時性高,最高傳輸速率150kbps。

2. 穿牆性高,一個Gateway連結40個節點,經由Mesh網狀網路,在室內可穿越3-5道牆傳輸。

3. 網路穩定性高,由於Wi-SUN是Mesh組網,具備自組網與自修復功能。

4. 網路佈建費低,由於是無線通訊方式,免人工拉線。


Wi-SUN智慧照明應用案例,Mesh組網、穿透性強

信邦電子股份有限公司(簡稱信邦)以濎通VC7300晶片製成的Wi-SUN模組,並和理由科技有限公司(簡稱理由)攜手合作,製作一系列Wi-SUN室內照明產品,包括控制中心、調光裝置、開關裝置、溫度/濕度/亮度檢測裝置、人員移動檢測裝置、情境開關裝置等,搭配理由自行研發的Wi-SUN智能照明解決方案操控後台- COZY舒適智能照明系統,可以達成定時設定,例如依照上下班時段設定;分區遠程控制;燈光開啟條件觸發設定,例如燈光開啟或關閉配合人員移動偵測;燈光亮度調節設定等功效。

信邦電子所生產的物聯網無線連接Wi-SUN模組(型號:WSM-A01)具備以下特色:

1. 遠程和長距離 - 單跳端到端傳輸距離大於2km (數據速率50kbps); 多跳網絡傳輸距離大於10km (數據速率可達300kbps)。

2. 可擴展性和移動性 - IPv6/ 6LowPAN 增強了傳感器網絡的可擴展性和移動性。

3. 強大的安全性 - 從雲端到終端的 5 級企業級安全機制

4. 遠程韌體升級 - 雙向通信

5. 自組網/自修復網絡 - 網狀網絡超過 1000 個節點並具有自適應拓撲結構

6. 干擾容差 - 信道跳頻,出色的選擇性,對抗敏感干擾具有高度抗性。

7. 載波偏移容差 - 在大載波頻率漂移時性能非常穩定。

8. 認證和互操作性 - Wi-SUN FAN

9. 低延遲/快速響應 - Sub-GHz RF 的延遲小於 20ms耗

目前理由研發的整套Wi-SUN智能照明系統已經成功安裝在信邦電子的員工休息室中。由1個Wi-SUN Gateway連結14個Wi-SUN感測節點;並透過理由設計的網頁介面式後台操控系統 - COZY舒適智能照明系統,可由後台遠程控制照明分區管理、定時設定,達到節電效果。


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Wi-SUN智慧電表讓能源管理更有效率

傳統的機械電表只能紀錄用電量,而無法紀錄用電時段,為提供更即時的用電數據,智慧電表搭配通訊系統(含通訊網路)及電表資料管理系統組成,除可記錄用戶用電情形、定時回傳電表資料外,亦可取代人工抄表。

由台電公司負責規劃及建置的AMI智慧電表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure, AMI) 主要由智慧型電表搭配通訊系統(含通訊網路)及電表資料管理系統組成,除可記錄用戶用電情形、定時回傳電表資料外,亦可取代人工抄表。截至2021年年底全台已布建1,501,500具智慧電錶,台電計畫將在2024年擴大到300萬戶。

智慧電錶對於用戶提供的效益包括以下3點:

1. 提醒目前與歷史用電數據相比是否有偏高趨勢。

2. 智慧電表將會自動回報停電訊息,並自動登錄停電案件,提升搶修效率。

3. 智慧電表回傳數據可用來分析用戶用電異常情形,未來一旦發現用戶用電異常,台電公司將可盡早派員至現場查找異常原因並進行排除,以避免台電公司或用戶雙方的用電損失。

但根據觀察一般用戶對於智慧電錶的存在與使用並沒有明顯感受,因為一般住宅每兩個月結算一次電費,往往收到帳單才會想到要節能。

目前台電公司提供的「台灣電力APP」及「電子帳單服務系統」皆可查詢智慧電表回傳每15分鐘用電資訊,但是由於缺乏系統得以輕鬆比較過往用電數據,也沒辦法衡量每日節電成果,因此導致一般民眾對於智慧電表的使用是沒有感覺的。

台電目前安裝的智慧電表只有A路徑(Route A),但智慧電錶若要結合合家庭能源管理系統(HEMS,Home Energy Management System)就需要進一步建置B路徑(Route B)。

近日,濎通科技的合作夥伴聯齊科技股份有限公司(簡稱NextDrive)採用濎通的Wi-SUN晶片VC7300,研發Route B 智慧電表通訊模組與Cube能源物聯網閘道器,結合HEMS,提供能源數據管理服務。用戶藉由智慧電表與 LINE 串接,在手機中即可「看見用電」,如同電力記帳本,還可以設定電費預算與超支提醒,不再擔憂電費會超乎想像。

NextDrive的Cube能源物聯網閘道器整合 Wi-SUN、ECHONET Lite、Wi-Fi、Bluetooth等多元連線方式,並且在用戶的公共場域安裝資集中器(DCU)與4G網路,以順利把用電資料傳送到NextDrive的雲端家庭能源管理服務「1% 能源行動家」,進而串接智慧電表與 LINE 服務,用戶滑滑手機即可追蹤並預測居家用電量,讓民眾得以透過看見用電,提升日常生活中對用電的感知,自然就會善用每一度電,進一步展開節能行動。

目前 NextDrive推出版本為輕量版用電小管家,服務包括用電報告、節能計畫與能源御守,其中用電報告方面,每 10 分鐘更新一次電力資料,統整日、週、月用電度數並預測未來用電量,同時顯示每天用電與電費試算;節能計畫顧名思義,設下當期電費預算與省電目標,看每天花多少以及是否超支,量身訂做節能計畫。

用電小管家還有「能源御守」功能,可提供電器健檢諮詢,根據電器與季節提供節能靈感、立竿見影用電指南,以及節能電器購買指南與清潔保養。




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