台積電辦公室監控技術ZigBee之應用

前言 Introduction

行政院於2006年產業科技策略會議中，導入科技生活化的概念，定義智慧化居住空間為「建築物導入永續環保觀念與智慧化等相關產業技術，建構主動感知及滿足使用者需求之建築空間，創造安全、健康、便利、舒適、節能與永續的工作及生活環境」，其範疇包括智慧家庭、智慧建築、智慧社區與智慧都市。近年來隨著能源枯竭與能源費用高漲的問題漸漸浮現，目前節能減碳課題逐漸受到各界重視，因此越來越多的建築業者與設備提供業者，開始針對這個議題提出不同解決方案。以傳統的建築自動化(Building Automation, BA)來說，除了傳統式的自動控制外，目前最熱門的就是與感測器搭配的各種無線傳輸解決方案，達到節能控制統之建置。

ZigBee 技術介紹

一般特性

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網路通訊技術，可在數千個感測器之間相互協調與實現通訊，這些感測器只需要很低的功耗就可用橋接方式通過無線電波進行感測資料傳輸，通信效率非常高。ZigBee的基礎是IEEE 802.15.4，為IEEE無線個人區域網(Personal Area Network，PAN)工作組的一項標準，ZigBee聯盟針對網路層協定進行了標準化，提供標準化平台供所有參與發展ZigBee廠商遵循。

ZigBee技術的主要特點包括以下部分：

• 功耗低：兩個AA乾電池可使用6個月到2年，依據採樣頻率而不同。
• 成本低：因為ZigBee資料傳輸速率低，協定簡單，而大大降低了成本。
• 安全性：ZigBee提供了資料完整性檢查和加密解密功能，使用加密演算方式，有效提高資料傳輸的安全性。
• 優良的網路拓撲能力：ZigBee具有星狀(Star)、樹狀(Tree)和叢狀(Cluster)等網路結構的能力，ZigBee設備實際上具有無線網路自瘉能力，能簡單地覆蓋廣闊範圍。
• 傳輸範圍小：有效覆蓋範圍約30～120米，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定。
• 資料傳輸速率低：一般為256kbyte/s，專為低速傳輸之應用。
• 工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。
• 網路容量大：每個ZigBee網路最多可支援255個設備，也就是說，每個ZigBee設備可以與另外254台設備相連接。

干擾性

建物中若是WiFi與ZigBee頻道皆使用2.4G，則可能會有相互干擾問題產生。依據2006 IEEE論文“Co-existence of ZigBee and WLAN, A Performance Study”的研究結果指出，若是WiFi與ZigBee頻道不重疊，WiFi不會受ZigBee干擾，ZigBee也不會受WiFi干擾(請參閱圖一中第一項表格)。但若將WiFi與ZigBee頻道重疊與裝置靠近，ZigBee與WiFi皆會受對方影響而有封包遺失的現象發生(請參閱圖一中第二、三項實驗表格)。

圖一、2.4G WiFi與ZigBee干擾測試

針對ZigBee與WiFi頻譜進行測試，觀察ZigBee頻道26頻譜(即頻道中心為2480 MHz，頻寬2MHz)分佈，再觀察頻道設定為頻道11的WLAN頻譜(即頻道中心為2462MHz，頻寬20MHz)分佈，以確認兩者是否干擾狀況。

測試方法採取有線同軸線傳輸方式將ZigBee及WLAN信號完全收集，利用封閉式測試作業方式進行以避免環境干擾信號，以提升測試正確性。實驗結果如圖二所示，ZigBee Node的左端M2信號頻率為2475.650 MHz，WLAN無線AP右端M3信號頻率為2472.875 MHz，二者包含可能諧波頻率後仍然相差了2.775 MHz，因此不會發生相互干擾問題。

圖二、WiFi與ZigBee頻譜測試

根據實測，ZigBee與WiFi不會發生相互干擾問題，為建立多道預防機制，多次與IT部門開會決議將兩者頻道隔開，ZigBee可使用CH26之頻道，使用於tsmc內的ZigBee產品，製造出廠前即固定在CH26頻道，未來使用時無法更改其頻段。另外要確保ZigBee產品運作時仍維持在CH26，可以利用ZigBee產品是否斷線的即時監測來判斷，無線管理系統必須監測所有Node是否斷線，當斷線時立即以mail通知IT人員，並告知該Node位置等資訊，以利第一時間作系統緊急應變處理。

安全性

目前tsmc與工研院合作安裝使用之ZigBee產品的安全機制如下：

• 具有無線金鑰設定，由管理人員定期自行更換Coordinator金鑰及Node金鑰，不符合則無法連線。
• 資料由Node加密，經Coordinator解密後符合規則才傳送至後端伺服器，不符合則丟棄。
• 資料不符合內部既定格式則丟棄。
• 管理人員可自行設定Coordinator的特定IP與Port，Coordinator僅針對此特定IP與Port方會傳送資料。
• Coordinator中不開放任何tsmc PIP security禁止相關封包通過。

ZigBee無線監測系統資料特性如圖三所示。Node(End device)接收Sensor擷取的感測資料後只單向傳送至Coordinator，並沒有機台相關之任何資訊，攔截Node資料並不能得到任何系統相關資料。Node(End device)目前不儲存感測資料，直接後傳Coordinator。由以上可知，目前tsmc使用之ZigBee產品已具備良好之安全性與保護性。

圖三、無線ZigBee監測系統資料特性

智慧大樓監控應用

由於ZigBee無線傳輸具有低功耗與即插即用功能，非常適合室內外的環境無線監測。與市面上建築物環境監測系統不同點在於，無線感測器可直接佈置於所需位置，不必遷就電源及號線之佈置，更接近監視環境真實狀況。目前較常用之感測器種類包含溫溼度感測器、二氧化碳感測器、人員移動感測器、人員紅外線感測器等，以監控環境之各項數據。可於室內/室外佈置上述無線感測器，將感測器所測得之資訊利用ZigBee傳輸協定傳回後端平台軟體，供後端平台即時監控及紀錄用。

溫溼度感測

利用室內型溫溼度感測器如圖四所示，室外型溫溼度感測器如圖五所示，監測空間中之溫溼度變化，一旦環境溫溼度超出控制範圍，將由後端平台直接改變溫控器輸出，既維持人員舒適度亦可節省空調能源耗損。

圖四、辦公室／會議室溫溼度感測器

圖五、室外環境溫溼度感測器

二氧化碳感測

利用二氧化碳濃度感測器，如圖六所示，即時監測空間中之二氧化碳濃度數據。環境中之二氧化碳濃度影響人員工作效率，濃度過高將導致工作效率降低影響決策。二氧化碳感測器一旦偵測環境中二氧化碳濃度過高，後端平台即可開啟外氣風門換氣，以降低二氧化碳濃度維持人員舒適度。

圖六、環境二氧化碳濃度感測器

人員移動感測

利用人員移動感測器如圖七所示，監測環境中是否有人員存在，應用於會議室節能系統中。會議室中經常出現人員離開，照明空調系統繼續開啟之狀況，人員移動感測器偵測會議室是否有人存在，當感測器偵測無人時，可通知後端平台關閉照明及空調之負載，達成省能之目的。

圖七、人員移動感測器

人員紅外線感測

利用人員紅外線感測器如圖八所示，辦公室區域中辦公室經常出現人員離開，空調系統繼續開啟維持原設定造成耗能，人員紅外線感測器可置於辦公桌上，偵測人體體溫以判斷是否有人存在。經察覺工作區域人員若是已離開，後端平台即調升空調設定溫度，達成省能之目的。

圖八、人員紅外線感測器

用電無線監測

傳統辦公室電量管理係利用配線及安裝電表，將資料透過有線方式，傳輸至後端監控平台，系統設置時耗費大量配線成本，及佔用過大的管道及天花空間，尤其既設辦公室如需擴充作進一步電量管理，須設置電表更有其配線的困難度，故利用無線監測作電量管理，有其便利性及成本效益。

1. 電表與無線RS485傳輸器
   於建築物供電機房或各樓層供電分盤中裝設電表，監測各迴路之用電狀況，再將電表使用RS-485連線如圖九所示，及modbus通訊協定連接至一組ZigBee無線RS485傳輸器如圖十所示，將電表監測所得之資訊利用ZigBee傳輸協定傳回後端平台，後端平台即時監視並紀錄各迴路用電狀況。

   圖九、電表利用RS485串聯

   

   圖十、ZigBee RS-485無線發射器

   
   電表監測各用電迴路之用電狀況，包括電壓、電流、功率、功率因數、用電量等參數。各迴路之電表使用RS-485連線成一資料傳輸路徑，末端連接至ZigBee無線RS485傳輸器，將各智慧電表之資料透過無線方式傳回後端平台。一組RS-485 ZigBee無線發射器可連接至多32顆智慧電表。
2. 智慧型無線插座電表
   於既有用電插座上加裝智慧型無線插座電表如圖十一所示，監測插座用電，將用電資訊透過ZigBee無線傳輸協定傳回後端平台。智慧型無線插座電表可監測用電插座之電壓、電流、功率、功率因數、用電量等資訊，適用於110/220伏特之單相插座，使用者不必施工即可即時取得插座用電資訊。

   圖十一、智慧型無線插座電表

   

辦公室節能系統

商辦大樓中辦公室的使用往往是長時間的，其中以空調的耗能最為可觀，所以辦公室空調節能系統的開發是有其需要的。在辦公室工作的員工是不可能長時間待在辦公位置上，由於辦公室是寬敞的大空間，難免有時會有整個部門人員去開會，或某區人員長時間離開，但此時空調大多還是繼續開著，設定溫度還是一樣不變。反觀，若以節能的觀點來思考，當某區人員完全離開時，利用人員紅外線感測器及智慧型無線溫控器，可將該區空調關閉或是調高設定溫度，以達到節能的效果，其辦公室空調節能系統架構圖如圖十二所示。

圖十二、辦公室空調節能系統架構圖

會議室節能系統

會議室裡最重要的兩大耗能分別為燈光照明及空調系統，在使用上使用者會去開啟照明與空調，但在離開時往往忘記關閉造成能源的浪費，因此，在講求節約能源的時代，會議室的節能是必備且需要的。

應用ZigBee技術結合人員移動感測器(motion sensor)，架構會議室自動節能系統的整合solution，如圖十三所示。

圖十三、會議室自動節能系統架構圖

• 會議室在無人的狀態下，當有人進入會議室時，按下電燈開關，經由DI (Relay輸入無線傳送器)Coordinator PC Coordinator DO (Relay輸出無線傳送器)可將電燈打開，並將電燈狀態傳送至HVAC Controller作記錄。若此時也按下空調開關時，經由HVAC Controller可將空調啟動。
• 當人員離開會議室時，再次按下電燈開關，同樣的經由DI→Coordinator→PC→Coordinator→DO可將電燈關閉，按下空調開關時，經由HVAC Controller可將空調關閉。若人員離開時，忘記關電燈或空調或兩項皆忘記關，則可透過motion sensor的感應，經由Coordinator的傳送到PC端作處理，再由PC端下控制命令透過Coordinator→DO直接將電燈關閉，此時PC也將無人狀態傳送至HVAC Controller將空調關閉。

結論 Conclusion

會議室與辦公室智慧節能系統，其中的「智慧」包括智慧型感測器與智慧型控制兩部分。室內的人員移動感測器或人員紅外線感測器的判斷準確度是關鍵，tsmc與工研院合作使用的motion detecter，皆有寫入智慧計數演算法可準確判斷是否無人，比起傳統舊式motion detecter用於辦公室茶水間，人員暫時停止動作即被關燈的模糊感測控制，更能達到節能與控制精準之平衡。

上述環境與電力監測的ZigBee無線感測器已於工研院進行安裝與實測，並於前期設計階段時就考慮頻段規劃與適當配置(傳輸流量分配與訊號強度)，至目前為止已穩定運轉，並未發生無線通訊不穩定的問題。無線通訊設置過程方便且設置成本約為原來的30~40%，維護上也相當容易。運用ZigBee技術於智慧大樓中確實有降低成本、增加美觀、方便安裝與維護等優點，然而智慧才是核心，是未來我們持續改善更成熟智慧型辦公大樓的方向。