wersja mobilna
Online: 483 Niedziela, 2016.12.11

Technika

Sieci domowe HAN. Łączność bezprzewodowa czy po kablu?

środa, 30 marca 2011 11:05

Wdrożenie inteligentnych systemów energetycznych (smart grid), w tym inteligentnego opomiarowania (smart meter), ma na celu zoptymalizowanie pracy sieci energetycznej, ograniczenie kosztów zarządzania dostawami energii oraz ułatwienie integracji różnych, w tym odnawialnych źródeł energii. Sprawniejsza będzie też komunikacja z odbiorcami usług energetycznych, nakierowana głównie na zwiększenie ich świadomości w zakresie możliwości oszczędzania energii. Realizacja ostatniego założenia zależy od rozwoju koncepcji tzw. sieci HAN (Home Area Networks), które zapewnią komunikację między domowymi odbiornikami energii a jej elektronicznymi miernikami.

Fot. 1. Elektroniczne mierniki i sieci HAN są dopełnieniem koncepcji smart grid, która jeżeli zostanie w pełni wdrożona, pozwoli dostawcom energii zoptymalizować pracę sieci energetycznej, a użytkownikom świadomiej zarządzać zużyciem energii

W najprostszym przypadku w obrębie sieci HAN realizowana będzie transmisja danych z elektronicznego miernika do wyświetlacza LCD z ekranem dotykowym, na którym prezentowane będą informacje o zużyciu energii przez domowe odbiorniki. Na tej podstawie użytkownik będzie mógł zdecydować np. o ręcznym odłączeniu najbardziej energochłonnych sprzętów.

W przyszłości będą też dostępne bardziej zaawansowane rozwiązania. Na przykład korzystając z komunikacji w sieci HAN, użytkownik będzie mógł za pośrednictwem panelu sterować poszczególnymi urządzeniami, np. wyłączając/włączając je lub regulując ich ustawienia w celu ograniczenia poboru mocy.

Przewiduje się, że wbudowana możliwość komunikacji w sieciach HAN w przyszłości będzie standardem w przypadku większości odbiorników, zwłaszcza tych o dużym poborze mocy, takich jak np. systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji, oświetlenie, podgrzewacze wody użytkowej i wody w basenach, pompy w basenach, elektryczne sprzęty domowe, np. pralki, lodówki, a także gniazda do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych.

Wiele niewiadomych

Chociaż oczekiwania wobec funkcjonalności sieci HAN są już doprecyzowane, to kwestia ich realizacji nie jest jeszcze do końca jasna. Nie wiadomo na przykład, jaki standard komunikacji będzie w nich obowiązywał ani nawet czy będą to sieci bezprzewodowe, czy przewodowe. Pod uwagę brana jest też kombinacja obu tych metod, przez jej zwolenników uważana za rozwiązanie zapewniające największą elastyczność oraz gwarantujące niezawodność transmisji.

Nie jest też pewne, czy w tym zakresie użytkownicy będą mieli swobodę wyboru, czy konkretny standard komunikacji zostanie narzucany odgórnie przez operatora sieci energetycznej. Wiadomo już natomiast, że konkurencja między poszczególnymi standardami jest zacięta.

Ich twórcy prześcigają się w tworzeniu nowych wersji dostosowanych do wymagań zarządzania energią w sieciach HAN oraz zachęcaniu producentów tzw. inteligentnych mierników do implementacji akurat ich specyfikacji. Dlatego w artykule przedstawimy przykłady standardów łączności bezprzewodowej, jak i transmisji przewodowej najczęściej branych pod uwagę jako technologie przyszłych sieci HAN.

Sieci bezprzewodowe - Wi-Fi bez szans, ZigBee liderem

Tabela 1. Porównanie warstwy fizycznej standardów HomePlug AV i HomePlug GP

Komunikacja bezprzewodowa zdominowała rynek domowych sieci komputerowych głównie dzięki sieciom Wi-Fi opartym na rodzinie specyfikacji IEEE 802.11. Do ich zalet zalicza się m.in. niezawodność oraz możliwość uzyskania dużych prędkości przesyłu danych.

Paradoksalnie to drugie zdecydowało o tym, że sieci Wi-Fi już w przedbiegach zostały odrzucone i obecnie w ogóle nie bierze się ich pod uwagę jako potencjalnego standardu sieci HAN. Uznano, że jak na potrzeby sieci HAN jest to specyfikacja zbyt rozbudowana. Zyskały na tym prostsze, tańsze w realizacji oraz wolniejsze standardy sieci bezprzewodowych, w tym standard ZigBee uważany obecnie za najpoważniejszego kandydata do zdominowania rynku sieci HAN.

Krótko o ZigBee

Warstwy fizyczna oraz MAC standardu ZigBee oparte są na specyfikacji IEEE 802.15.4. Transmisja odbywa się w popularnym paśmie 2,4 GHz, dlatego ważne jest zapobieganie interferencjom z innymi sygnałami nadawanymi w tym samym zakresie częstotliwości. W tym celu w ZigBee wykorzystywana jest modulacja DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum).

Maksymalna prędkość transmisji to 250 kb/s. Sieci ZigBee mogą pracować w różnych topologiach, w tym w kratowej (mesh). Jej zaletą jest to, że nie wymaga określenia centralnego węzła. Dzięki temu wszystkie urządzenia mogą się ze sobą komunikować bezpośrednio lub za pośrednictwem innych węzłów sieci, jeżeli są poza zasięgiem punktu docelowego.

ZigBee Smart Energy

Fot. 2. Produkty do sterowania domowymi odbiornikami energii w sieciach HAN oferuje już np. firma Home Automation

Specyfikacja ZigBee obejmuje kilka wersji, tzw. profili, w tym przeznaczony do sieci domowej automatyki ZigBee Home Automation, profil do zdalnego sterowania urządzeniami multimedialnymi ZigBee Remote Control, komunikacji w aplikacjach medycznych ZigBee Health Care oraz profil dla systemów smart grid i sieci HAN - ZigBee Smart Energy.

Niedawno organizacja ZigBee Alliance zrzeszająca firmy współpracujące przy rozwoju specyfikacji ZigBee przedstawiła najnowszą wersję tego profilu - Smart Energy 2.0. Do najważniejszych funkcji należy tutaj możliwość obsługi mierników różnych mediów (energii elektrycznej, gazu, wody, ciepła), prezentacja wyników w różnych jednostkach miar oraz cen w różnych walutach, co ułatwi pracę w różnych regionach świata.

W zakresie komunikacji realizowana jest obsługa transmisji wiadomości tekstowych w wielu językach i transmisja potwierdzenia odbioru wiadomości. Profil ten pozwala na współpracę z miernikami zasilanymi bateryjne lub z sieci, na dokonywanie różnego typu pomiarów (np. profil obciążenia, współczynnik mocy) i dostęp w czasie rzeczywistym do informacji o wykorzystanej/wyprodukowanej energii oraz możliwość rejestracji tych danych.

Smart Energy 2.0 obsługuje różne metody sterowania odbiornikami pracującymi w sieciach HAN, np. przez zadawanie wartości poszczególnych parametrów i uruchamianie alarmów w razie ich przekroczenia, rejestrację prób manipulowania przy licznikach i zabezpieczenie dostępu do sieci, w tym konieczność rejestracji z wykorzystaniem klucza instalacyjnego lub standardowych metod kryptografii klucza publicznego. Obsługa ZigBee Smart Energy 2.0 jest już implementowana przez niektórych producentów w inteligentnych miernikach energii.

Z-Wave już, Bluetooth w przyszłości

Konkurencją dla standardu ZigBee jest specyfikacja Z-Wave. Przygotowano ją głównie pod kątem zastosowania w zdalnym sterowaniu różnymi domowymi urządzeniami, w tym do obsługi prostych komend, takich jak włącz/wyłącz i regulacji typu głośniej/ciszej. Ponieważ operacje te nie wymagają dużych prędkości transmisji, sieci Z-Wave pracują z szybkością maksymalnie 9600 b/s.

W przeciwieństwie do głównego konkurenta sieci Z-Wave nie pracują w paśmie 2,4 GHz, dzięki czemu transmisja nie jest zakłócana przez interferencje z sygnałami np. z sieci Wi-Fi. W zależności od regionu specyfikacja Z-Wave przewiduje transmisję w różnych zakresach częstotliwości, np. w Europie w paśmie 868 MHz, a w USA 908 MHz. Podobnie jak sieci ZigBee również Z-Wave mogą pracować w topologii mesh.

Na korzyść standardu Z-Wave przemawia też fakt, że jest bardzo popularny w automatyce budynkowej. Stąd jego obsługa jest już zaimplementowana w szeregu urządzeń, np. w termostatach, sterownikach oświetleniem, wentylatorach, roletach, a od niedawna również w niektórych inteligentnych miernikach energii. Nie chcąc utracić szansy na zaistnienie na rynku sieci HAN, tematyką smart grid zainteresowali się również twórcy jednego z najstarszych standardów łączności bezprzewodowej - specyfikacji Bluetooth.

W tym celu powołano Smart Energy Study Group, która zajmie się zbadaniem możliwości wykorzystania tego standardu w sieciach HAN i przygotowaniem odpowiednich rozwiązań technicznych. Za wykorzystaniem Bluetooth w aplikacjach smart grid przemawiać może m.in. jego rozpoznawalność oraz niski pobór mocy, co jest istotne w przypadku aplikacji wykorzystujących wiele odbiorników. Ze względu na potencjał rynku smart grid wkrótce można spodziewać się konkretnych efektów pracy ekspertów ze Smart Energy Study Group.

Transmisja przewodowa - HomePlug numerem jeden

Rys.1. Transmisja adaptacyjna, wykorzystywana w HomePlug AV, dopuszcza modulowanie poszczególnych podnośnych inną metodą. Dzięki temu przepływność dostosowana jest do właściwości danego kanału transmisyjnego. Komplikuje to jednak konstrukcję nadajnika i odbiornika, w związku z czym z tej metody zrezygnowano w kandydującym do obsługi sieci HAN standardzie HomePlug GP

W zakresie transmisji przewodowej największe szanse na zdominowanie rynku sieci HAN ma technologia PLC, czyli transmisji danych za pośrednictwem sieci energetycznej. Jednym z liderów w tej grupie standardów - z udziałem w światowym ryku PLC szacowanym na co najmniej z 80% - jest znany od 10 lat standard HomePlug. Jego twórcy, zrzeszeni w grupie HomePlug Powerline Alliance od momentu, gdy tylko rozpoczęto prace nad koncepcją smart grid, zabiegali u przedstawicieli przemysłu energetycznego o to, by właśnie HomePlug stał się alternatywą dla komunikacji bezprzewodowej.

Zainteresowanie było obustronne, skutkiem czego sektor energetyczny zwrócił się do HomePlug Powerline Alliance o przygotowanie nowej wersji tej specyfikacji, dostosowanej pod względem kosztów oraz poboru mocy do wymagań sieci HAN. W efekcie na bazie specyfikacji HomePlug AV powstał standard HomePlug Green PHY (Home Plug GP).

Od HomePlug AV...

Transmisja w sieciach HomePlug AV realizowana jest w paśmie częstotliwości od 2 do 30 MHz. Wykorzystywana jest modulacja OFDM z odstępem między podnośnymi 24,414 kHz (1155 podnośnych). By uzyskać jak najlepszą jakość sygnału, zwłaszcza w kanałach, w których występują tzw. zaniki selektywne wywołane zjawiskiem wielodrogowości, w HomePlug AV wykorzystuje się tzw. transmisję adaptacyjną.

Polega ona na modulowaniu poszczególnych nośnych z zastosowaniem różnych metod, w tym modulacji BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM, 256 QAM oraz 1024 QAM, w zależności od właściwości danego kanału transmisyjnego (rys. 1). W celu ich zbadania najpierw wysyła się do odbiornika sygnał testowy, który jest następnie retransmitowany do nadajnika, gdzie na podstawie pomiaru jego amplitudy dobiera się odpowiedni schemat modulacji.

Jeżeli np. dana podnośna jest w tym kanale silnie tłumiona, stosuje się modulację BPSK o mniejszej przepływności. W wypadku, gdy do nadajnika wraca sygnał praktycznie niezniekształcony, zastosować można natomiast np. modulację 1024 QAM, która zapewnia znacznie większą przepływność. Dzięki zastosowaniu transmisji adaptacyjnej uzyskuje się prędkości transmisji od 20 Mb/s do 200 Mb/s. Ponadto w HomePlug AV wykorzystuje się dostęp CSMA jako mechanizm podstawowy i TDMA jako metodę opcjonalną.

...do HomePlug GP

Fot. 3. Transceiver RF Engine firmy Synapse

HomePlug GP opracowano na bazie standardu HomePlug AV, stąd między tymi specyfikacjami jest wiele podobieństw, np. bez zmian pozostaje pasmo częstotliwości (od 2 do 30 MHz) i metoda modulacji - OFDM (tabela 1). Jednocześnie ze względu na wymagania sieci HAN w standardzie HomePlug GP zastosowano kilka uproszczeń. Zasadnicza różnica polega na zmniejszeniu maksymalnej prędkości transmisji, która w sieciach HomePlug GP wynosić będzie 10 Mb/s.

Ponadto jedyną metodą modulacji jest technika QPSK. Nie jest w związku z tym realizowana transmisja adaptacyjna, a to oznacza, że nie ma potrzeby transmisji sygnałów testujących ani później przechowywania informacji o właściwościach kanału. Dzięki tym zmianom konstrukcja nadajnika i odbiornika została znacznie uproszczona, a ich sprawność energetyczna wzrosła. W efekcie zmiany te umożliwiają znaczne obniżenie kosztów.

Transmisję adaptacyjną zastąpiono w HomePlug GP techniką ROBO (Robust OFDM), czyli tzw. kodowaniem z powtarzaniem, które polega na transmisji tej samej informacji na kilku podnośnych. Dzięki temu nawet jeżeli w danym kanale część podnośnych zostanie stłumiona lub zniekształcona, np. na skutek interferencji lub zaników selektywnych, sygnał zostanie w odbiorniku poprawnie odtworzony. Zwiększa to niezawodność transmisji, ale jednocześnie uniemożliwia osiągnięcie dużych prędkości transmisji, co akurat w przypadku sieci HAN nie jest problemem.

Prędkość transmisji zależy od liczby kopii sygnału, np. w tzw. trybie Mini-ROBO transmitowanych jest pięć kopii, co ogranicza prędkość transmisji do maksymalnie 3,8 Mb/s, natomiast przy jedynie dwukrotnym powtórzeniu uzyskać można prędkość transmisji prawie 10 Mb/s (tabela 2). Ponadto w przeciwieństwie do HomePlug AV wersja GP nie przewiduje dostępu TDMA. Nowością w HomePlug GP jest natomiast dodatkowy tryb pracy z ograniczeniem pobieranej mocy oraz tzw. mechanizm DBC (distributed bandwidth control).

To ostatnie wprowadzono, by zapobiegać ewentualnym zakłóceniom transmisji w standardzie HomePlug AV przez urządzenia obsługujące standard HomePlug GP. HomePlug GP jest też kompatybilny z technologią bezprzewodową ZigBee, a dokładnie z profilem ZigBee Smart Energy 2.0. Twórcy obu specyfikacji zdecydowali się połączyć siły, dążąc do opanowania rynku sieci HAN. Ponadto przedstawiciele HomePlug Alliance planują też współpracę z Multimedia over Coax Alliance (MoCA).

Wdrożenie systemów smart grid, w tym sieci HAN, odbiorcom energii zapewni m.in.:

  • wgląd w informacje o bieżącym zużyciu energii
  • możliwość monitorowania zużycia energii w ciągu doby
  • wybór optymalnych godzin pracy energochłonnych urządzeń w zależności od aktualnej taryfy opłat
  • dostęp do informacji o każdej zmianie taryf opłat
  • możliwość zmiany taryfy rozliczeniowej
  • możliwość przystąpienia do programów rabatowych.

Oprócz tego użytkownicy, którzy świadomiej będą zarządzać zużyciem energii we własnym domu, będą wnosić swój wkład w ochronę środowiska naturalnego. Z kolei dostawcy energii elektrycznej, wykorzystując systemy smart grid, w tym dwukierunkową łączność z odbiorcami energii, będą mogli:

  • usprawnić proces odczytu danych z mierników energii
  • usprawnić zarządzanie olbrzymią ilością danych z liczników energii
  • wyznaczać profile obciążenia, które pozwolą dokładniej rozliczać odbiorców
  • usprawnić zarządzanie zasobami sieci
  • zoptymalizować pracę zakładów wytwórczych w oparciu o dane o rzeczywistym zapotrzebowaniu na energię
  • reagować na duże obciążenie sieci w celu uniknięcia tzw. blackoutów
  • wykrywać i weryfikować zgłoszenia o występowaniu przerw w dostawach energii
  • szybciej reagować na zaniki napięcia.
PRIME, G3

Chociaż obecnie w batalii o dominację na rynku sieci HAN HomePlug GP zajmuje w grupie standardów komunikacji PLC pozycją lidera, nie oznacza to wcale, że standard ten nie ma konkurencji. Ostatnio, zwłaszcza w Europie, na znaczeniu zyskują dwie inne specyfikacje: PRIME (Powerline Related Intelligent Metering Evolution) oraz G3. Standard PRIME napisano od podstaw jako specyfikację przeznaczoną do obsługi komunikacji w inteligentnych systemach energetycznych, a zwłaszcza do pracy w sieciach HAN.

Wykorzystuje on modulację OFDM, a komunikacja jest realizowana w zakresie częstotliwości określonym przez CENELEC jako pasmo A, czyli od 9 do 95 kHz. Prędkość transmisji w standardzie PRIME może wynosić od 16 do 130 kb/s. Sieci G3 pracują z kolei w paśmie od 10 do 490 kHz. Standard ten również wykorzystuje modulację OFDM, a jego warstwa MAC bazuje na specyfikacji 802.15.4.

Maksymalna prędkość transmisji w sieciach G3 to 250 kb/s, a przesyłane dane mogą być szyfrowane z wykorzystaniem algorytmu AES-128. Standard ten umożliwia transmisję zarówno w sieciach niskiego, jak i średniego napięcia. Dlatego G3 jest wymieniany wśród kandydatów do realizacji przyłącza sieci HAN do publicznej sieci energetycznej.

Za pośrednictwem tego łącza licznik AMI (Advanced Metering Infrastructure), czyli miernik z możliwością dwukierunkowej komunikacji, będzie przesyłał do dostawcy energii dane o jej zużyciu oraz jednocześnie odbierał od niego różne komendy sterujące, sygnały kontrolne, a także np. informacje o aktualnej taryfie cenowej, które rozsyłane będą dalej w ramach sieci HAN.

G.hn

Konkurencją dla technologii PLC jest standard G.hn. Prace nad jego rozwojem prowadzone są od niedawna pod patronatem ITU-T przez organizację HomeGrid Forum. W założeniu G.hn ma być wykorzystywany do transmisji danych multimedialnych, głównie sygnałów wideo HD, za pośrednictwem używanego w domach okablowania różnego typu (przewodów koncentrycznych, elektrycznych, telefonicznych).

Dotychczas opracowano trzy odmiany standardu: wersję szerokopasmową, która zapewni prędkość transmisji do 200 Mb/s, profil do wykorzystania w sieciach smart grid, szczególnie jako łącze sieci HAN z publiczną siecią energetyczną - stąd maksymalna prędkość w tej wersji wynosić ma 25 Mb/s oraz wersję wąskopasmową, tzw. G.hnem, zoptymalizowaną pod kątem zastosowania w sieciach HAN. G.hnem jest uproszczoną wersją podstawowej specyfikacji, która umożliwi transmisję z prędkością poniżej 500 kb/s. Standard ten aprobatę ITU-T uzyska prawdopodobnie na początku 2011 roku.

HAN szansą dla producentów modułów komunikacyjnych

Tabela 2. W HomePlug GP wykorzystuje się technikę tzw. kodowania z powtarzaniem ROBO (Robust OFDM). Liczba kopii sygnału decyduje o maksymalnej możliwej do uzyskania prędkości transmisji

Gdy sieci HAN zaczną funkcjonować na masową skalę, produkty do ich budowy będą stanowić olbrzymi rynek. Nie uszło to uwadze producentów dostarczających moduły komunikacyjne. Wobec braku wyraźnego lidera dostawcy oferują rozwiązania dla prawie wszystkich standardów wymienionych w tekście. Wśród producentów modułów do komunikacji bezprzewodowej jest np. Analog Devices.

Firma dostarcza transceiver ADF7242, który można wykorzystać w konstrukcji urządzeń krótkiego zasięgu, pracujących w paśmie 2,4 GHz. Transceiver jest zgodny ze standardem IEEE802.15.4, w związku z czym można go użyć do budowy urządzeń np. z interfejsem komunikacyjnym ZigBee. Oprócz tego może on też obsługiwać transmisję z wykorzystaniem autorskich protokołów opartych na modulacji GFSK/FSK z prędkością transmisji do 2 Mb/s.

Transceivery ZigBee ma w swojej ofercie również firma Freescale Semiconductor. Przykładem jest zestaw MC13213, częścią którego jest jeden z transceiverów w standardzie 802.15.4 z serii MC1320x oraz mikrokontroler MC9S08GT, pamięć oraz I/O. W tyle za konkurencjami nie zamierza też pozostawać Texas Instruments, który na rynek sieci ZigBee oferuje np. układy SoC z rodziny CC2530/31. Kompletne rozwiązania dla sieci HAN przygotowuje też firma Ember, w tym układy EM250, EM260, EM351 i EM357 oraz oprogramowanie EmberZNet Pro.

Odpowiednie komponenty znajdziemy też w ofercie firmy Silicon Laboratories. Przykładem są układy serii Si100x, które składają się z mikrokontrolera z rdzeniem 8051 25 MHz, transceivera EZRadio Pro pracującego w paśmie 240-960 MHz, pamięci Flash 64KB oraz peryferii, w tym 10-bitowego przetwornika A/C. Kompleksowe rozwiązanie w postaci modułu transceivera w paśmie do 2,4 GHz RF Engine, na którym zainstalowano system operacyjny SNAP do zarządzania sieciami w topologii mesh, oferuje też firma Synapse.

Moduły do komunikacji przewodowej

Producenci nie ignorują też potencjału sieci przewodowych jako przyszłego standardu sieci HAN. Wielu z nich ma w swojej ofercie moduły komunikacyjne w standardzie PLC, np. produkty do realizacji komunikacji w standardzie HomePlug AV i HomePlug GP oferują takie firmy jak Cypress Semiconductors, Atheros Communications, Gigle Networks. Transceiver PLC, np. układ MAX-2982, zgodny ze specyfikacją HomePlug, znajdziemy też w ofercie firmy Maxim.

MAX2982 wraz z zestawem filtrów, wzmacniaczem o regulowanym wzmocnieniu i przetwornikiem A/C zintegrowanych w układzie MAX2981 stanowią kompletne rozwiązanie do budowy sieci PLC. Innym przykładem jest kombinacja: transceiver MAX2990 oraz moduł AFE (Analog Front End) MAX2991, którą wykorzystać można, konstruując urządzenia do pracy w sieciach G3. Układy do obsługi transmisji w standardzie PRIME znajdziemy w ofercie m.in. firmy STMicroeletronics, np. ST7590.

Na razie niedostępne są natomiast układy kompatybilne ze standardem G.hn. Według przedstawicieli HomeGrid Forum pierwsze komponenty tego typu powinny być dostępne do końca 2010 roku. Wśród firm, które już pracują nad takimi rozwiązaniami, wymienia się m.in. CopperGate, DS2, Gigle, Lantiq oraz Ikanos, a także Texas Instruments, który ostatnio dołączył do zarządu HomeGrid Forum.

Monika Jaworowska