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如何用ZigBee实现“绿色”家庭
2009-09-12 21:30
如何用ZigBee实现“绿色”家庭
2009-01-12
绿色环保是将影响我们的所有业务的主要趋势。过去一年，我们看到比以往任何时候都多的公司进入“绿色”行列。然而，从第一天起，ZigBee技术就一直关注绿色绿色问题。ZigBee技术也非常适合用于能源消耗设备的传感和控制，如住宅和商业建筑中的照明和采暖/通风/空调(HVAC)设备。如今能源成本的增加成了全球关注的问题，过去30年能源成本上涨了四倍。很明显，ZigBee技术正日益被视为利用智能能源产品降低住宅和商业建筑能源成本的领先技术。
能源使用速度超过电厂投资
美国是主要的电力消费国，自1990年以来，电力需求一直以25%的速度增长，而同一时期电厂投资每年却减少30%。尽管有些人可能说需要通过建造新发电厂甚至是通过替代能源(例如风能和太阳能)来增加电力供应，但这需要时间和几十亿美元的投资。另外一种办法是努力控制能源使用量。能源成本可能占到建筑运营成本的20%，其中照明和采暖/制冷设备是住宅和商用建筑中能源消耗大户(图1)。这一事实使照明和采暖/制冷设备成为减少能源使用的首要目标，无论是通过减少能耗设备，还是通过智能能源使用方法来减少能源使用。
图1：照明和采暖/制冷设备是住宅和商用建筑中能源消耗大户。
电力消耗的增加和新发电设施的匮乏带来了一个新需求，那就是必须降低和控制建筑中的电力负荷。这对那些正在寻求智能方法来控制日益增加的能源使用，同时又要限制资本支出的公用设施公司来说是再明显不过的。一种解决方法是让公用设施公司管理高峰时段的负荷，并按负荷使用执行差别定价。通过负荷控制实现这一目标，允许公用设施公司在高峰负荷时段短时间(几分钟)关闭客户负荷，比如HVAC。这种方法通过降低高峰时段的需求，来避免不停地停电。第二种办法是需求响应(Demand Response)。公用设施公司将电费率的变化告知各个家庭，以期居民志愿减少能源使用。
ZigBee技术以一个开放、可互操作的标准满足了所有这些需求，可实现从公用设施到家庭网络(HAN)为负荷控制和需求响应目的而进行的通信。这使得支持ZigBee的仪表能够控制家中支持ZigBee的设备并与之进行通信，如HVAC系统。居民也可以在需求/响应期间选择采用一些志愿措施，如关闭电器、灯等来减少家庭电力消耗。这不仅可以减少电网的高峰负荷，还能帮助居民做出有关能源使用的明智决策。ZigBee技术还提供一种让设备基于这些事件，在其能源使用方面实现智能的机制，比如洗碗机可以将开启时间推迟到电费率较低的时段。
相关规定带动对“绿色”技术的需求
推动人们实施和采用这些“绿色”技术的原因，很大程度上是有关规定和要求的颁布。这些规定旨在降低能耗和确保电网稳定，受到联邦、区域和州一级政府的推动。最近颁布的一些规定，如《2005能源政策法案》和《2007能源独立和安全法案》，为建筑和电器内部的智能计量、电网可靠性和能源效率等项目规定了强制性标准。地方驱动因素如Electric Reliability Council of Texas(德州电力可靠性理事会)已经融入了智能电网功能以及智能仪表，尽可能地为费率恢复推荐HAN和基于标准的方法“如ZigBee”。我们甚至看到了更严格的州一级驱动因素，加州以其California Load Control Proceeding(即以前的Title 24)在这一方面处于领先。一些公用设施公司(如Southern California Edison)开始做出反应，他们准备在未来几年安装500万支支持ZigBee的仪表和家庭网络。这只是其中的几个例子，美国和其他国家还有更多成功的例子。
节省总额
最近多数活动都针对住宅客户，尽管看起来受益更多的是公共设施公司，但居民也从减少能耗和家庭开支中获益。此外，通过让家庭更加智能，消费者还能让一些家用电器(如电灯)实现自动控制(图2)，不需要或亮着的电灯可以关闭，需求响应/响应通知可以将电灯自动调暗20%或推迟打开电器(如洗碗机)。下面例子是一个简单的家庭网络照明自动化例子，它显示每年最多节约246美元。
图2：通过让家庭更加智能，消费者能让一些家用电器实现自动控制。
照明示例：
2,000平方英尺家庭的照明功率为4500瓦，包括：3间卧室×440瓦，2间浴室×460瓦，1间厨房×460瓦，1间餐厅×240瓦，2间起居室×340瓦，其他共880瓦(壁橱、车库、洗手间、室外电灯等)。
2~3个电灯(450瓦或占全部照明功率的10%)，每天开启10个小时。典型电灯是浴室、卧室、壁橱或室外照明。
每年的成本为246美元＝450瓦×10个小时/1000(千瓦)×0.15(每千瓦时成本)×365(每年天数)。
产品会陆续推出 尽管支持ZigBee的家庭自动化产品已经上市好几年了，但它们仍然很昂贵，使用范围也受到一定限制。然而，随着ZigBee Smart Energy Profile的颁布和公用设施公司的智能能源仪表的首次展示，市场上将会出现更多类似产品。最初推出的产品包括支持ZigBee的仪表、自动调温器和驻地设备，但照明和电器也将很快从智能仪表和公用设施公司发出的需求响应信息中获益。最终，消费者将拥有多种ZigBee设备，如照明、HVAC、电器，甚至是通过ZigBee网络实现安全功能。所有这些设备都相互通信并与公用设施仪表进行通信。
飞思卡尔支持智能能源和ZigBee技术
飞思卡尔拥有一系列ZigBee芯片和低功率MCU，这些产品构成了实现ZigBee和智能能源产品的理想平台。飞思卡尔的1322x ZigBee平台是用于ZigBee设备的最新的低功率平台。该平台具有最低功耗和高度集成的封装形式，正成为计量公司实现带ZigBee技术的智能仪表的首选方案。对于需要其它功能或存储空间的客户，飞思卡尔还提供大量能与独立收发器配对的低功率MCU。Flexis系列MCU具有低功率特点，并提供一条从8位到32位处理能力的升级路径。除了IC，飞思卡尔还采用一个包括软件、开发工具和参考设计的平台方法以简化开发。
飞思卡尔的BeeStack ZigBee堆栈带有BeeKit无线工具包，提供简单的软件环境以配置网络参数。这种飞思卡尔独有的工具允许客户使用向导和下拉菜单来配置ZigBee网络参数，而竞争产品则要求用户用各种代码来编辑网络参数。此外，尽管MC1322 x平台封装简化了RF设计，但很多客户缺乏确保鲁棒和优化的设计所需的专业技能。飞思卡尔提供从IC到天线的大量的参考设计，包括在开发工具包中开发硬件的设计详情。客户可以采用BOM、gerbers文件和电路图，并只需将这些设计复制或者集成到他们的设计中即可。这个完整的平台方法能帮助客户减少他们的开发时间，加快产品上市速度(图3)。
飞思卡尔的开发工具包为ZigBee协议提供理想的开发平台。1321x和1322x专门针对ZigBee设备的开发，它们提供必要硬件、软件、工具和演示应用软件来简化开发流程(图4是MC132x的应用电路图)。这种工具包随附开发主板一起提供，以便在让开发人员在15分钟内让ZigBee网络运行起来。这个演示基于飞思卡尔的ZeD((ZigBee enabled Demo)，采用家庭自动化配置文件。该工具包还带有BeeKit无线工具包和其他演示应用软件。此外，对于需要不同的低功率MCU来运行ZigBee协议的客户来说，他们可使用MC13202 RF收发器和QE128 MCU。1320x -QE128-DSK提供简便、低成本的开发平台，包括ZeD HV照明应用的双节点示例。
通过走向“绿色环保”，ZigBee技术在智能能源市场大有所为。尽管本文介绍的只是ZigBee技术如何实现“绿色”家庭的一个例子，但ZigBee不仅局限于照明和HVAC，还将涉足其它设备并大规模地进军商用建筑。显然，飞思卡尔领先的ZigBee技术、对智能能源的关注以及与客户的关系，为飞思卡尔在这个快速发展的市场中取得成功奠定了基础。
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