數位家庭自動化與無線化

更新日期: 2007-04-19 記者:S.Roach

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。

興爸的家

2007年4月23日星期一