隨著個人和行業(yè)使用互連設備和網(wǎng)絡的方法不斷推陳出新，可以定義為“物聯(lián)網(wǎng)”組成部分的設備數(shù)量持續(xù)快速增長。讓機器與機器進行通信(M2M)具有無限可能性，這也是新興智能能源更為突出的技術領域之一。隨著家用電表、個人設備和各種電器開始相互連接，關于如何做出更為明智的能源消耗決策的問題，將需要一個更大、更全面的解決方案。將家庭和局域網(wǎng)上的設備接入一個智能電網(wǎng)，使業(yè)主和電力公司之間進行雙向通信，已指日可待。

物聯(lián)網(wǎng)的新前沿

 “物聯(lián)網(wǎng)”是個時髦的字眼，能夠讓人聯(lián)想到令人興奮的未來愿景。到那時，你的冰箱可以自我檢查其中的食物，并在你準備下班時通過Email給你發(fā)一個雜貨購物清單(并不是說雜貨店購物是一個很令人興奮的體驗)；然后你的房子開始為你的回家做準備，將溫度調整到最佳值；烤箱可以為晚餐進行預熱。越來越多的設備成為同時嵌入有強大功能的微處理器以及傳感器的集成裝置，并實現(xiàn)無線連接，使得設備的功能更多，更加智能，這將我們引入一個智能化互連網(wǎng)絡的世界。

這套技術的應用之一是改善能源消耗，也叫做智能能源。智能能源背后的理念是對內(即在家里)和對外(即從家里到外面的連接設備、網(wǎng)絡和智能電網(wǎng)本身)進行能源使用控制，一切都為了實現(xiàn)優(yōu)化能源生產、輸送和使用的目標。家庭網(wǎng)絡和電網(wǎng)的雙向通信帶來了可靠性和可持續(xù)性改進的可能性。

巧用智能能源

智能電網(wǎng)和智能家居(智能家電，網(wǎng)關等等)和智能計量表(電表，煤氣表，水表)是智能能源生態(tài)系統(tǒng)的主要元素。智能家電一般是消費者每天都要互動的設備。通過讓這些設備互相對話，并且能夠為消費者所操控，這樣就增添了一個全新的便利。如今市面有幾種產品可以提供一定程度的智能和無線連接(比如智能恒溫器、智能開關、智能冰箱等等)。一些更高端的電器包括有內置網(wǎng)絡服務器，可與聯(lián)網(wǎng)家庭中的其他設備互動。智能計量表是進入這些家庭(及辦公室)的入口，在和智能電網(wǎng)共享部分或者全部信息之前收集并測量資源使用情況。反過來，智能電網(wǎng)根據(jù)這些信息采取必要的措施，如負荷調整、峰值削減，甚至是需求方管理等。

智能能源設備，除了執(zhí)行它們的標準功能外，必須能夠在局域網(wǎng)內和其它智能能源設備通信，并發(fā)送和接收相關信息(計費、使用情況、預警等)。數(shù)據(jù)交換不僅能夠改善總體效率和容錯性，還能優(yōu)化能源消耗。智能計量表收集并將使用數(shù)據(jù)傳輸給能源提供商，讓消費者有能力操控并管理自己的能源消耗。換句話說，使用數(shù)據(jù)從消費者流向能源提供商，同時，計費數(shù)據(jù)從能源提供商流向消費者。雙向信息流使得消費者能夠做出決策來管理其能源消耗。這種雙向、實時通信使能源供應商可以改善能源規(guī)劃和能源輸送。

標準化的智能能源設計

隨著眾多制造商紛紛設計智能能源系統(tǒng)，因此所有設備都在一個網(wǎng)絡中交互操作，這一點越來越明顯。ZigBee聯(lián)盟正在制定一項規(guī)范，即智能能源規(guī)范(SEP2.0)，來幫助對智能能源生態(tài)系統(tǒng)的許多方面的要求進行規(guī)范化。這些要求包括設備通信、連接和信息共享。

SEP2.0提供了指南，規(guī)定設備之間應當如何互相通信。該指南為各種可控的設備屬性做出了明確規(guī)定。這些屬性(也稱為“資源”)在邏輯組中共同運作，執(zhí)行SEP2.0功能(稱為功能集)。計量系統(tǒng)或者計價系統(tǒng)，都是特定應用的功能集方面的例子。比如智能計量表這樣的設備，執(zhí)行一個或多個功能集來提供用量統(tǒng)計和趨勢情況等附加值服務。然后，這些計價統(tǒng)計和趨勢情況數(shù)據(jù)可為能源提供商或者消費者使用，分別用來管理服務或者能源使用。

功能集及其在設備上的資源通過HTTP URL來獲取。這些設備在使用諸如mDNS和DNS-SD技術的網(wǎng)絡上動態(tài)發(fā)現(xiàn)相關服務，并且在注冊后可進一步獲取資源來執(zhí)行SEP2.0功能。要為互聯(lián)的智能能源設備提供一個真正的互操作生態(tài)系統(tǒng)，就必需使用TCP/UDP和基于IP的網(wǎng)絡連接。由于這些設備直接面向外界更大的網(wǎng)絡，并且能夠通過這些設備對整體的電網(wǎng)提供了連接，因此支持設備內的安全特性極為重要。由于許多智能設備要提供連續(xù)的、可靠的實時數(shù)據(jù)，它們必須處于“長開模式”和“已連接”狀態(tài)。這樣就必須確保所有智能能源設備本身要足夠節(jié)能。最后，它們必須同時支持有線和無線網(wǎng)絡性能。

互連設備的硬件

現(xiàn)有的大多數(shù)家用電器設備不支持新興的機器對機器(M2M)交流這一高級功能，因此將許多不同的性能集成在一個設備中意味著需要進行重大而且高昂的硬件更新?lián)Q代，最終導致材料和成本大大增加。制造商必須平衡好生產智能能源電器帶來的收益和額外的成本之間的關系。

此外，電器制造商有更多的選項以找到設計家用智能能源設備時節(jié)省成本的方案。為這些家用電器設備選擇SoC硬件，應當在功能性、外觀、軟件支持和成本之間找到恰當?shù)钠胶狻?span lang="EN-US">32位MCU具有集處理、存儲和連通于一體的特性，使其成為一個不錯的選擇。目前這一代MCU，比如Freescale Kinetis、STMicroelectronics STM32或TI Stellaris(ARM Cortex-M core)，功能齊全且價格誘人。選擇合適的硬件僅僅是個開始。眾多影響因素的區(qū)分點還在于軟件的選擇。

選擇合適的軟件

SEP2.0規(guī)范制定的軟件技術要求包括：有UDP支持的TCP/IP；具有諸如mDNS和DNS-SD等動態(tài)服務發(fā)現(xiàn)性能的IPv6服務；支持GET、PUT、POST和DELETE等基元的HTTP執(zhí)行。SEP2.0同時要求支持諸如SSL/TLS的安全實現(xiàn)和若干現(xiàn)代網(wǎng)絡技術，比如RESTful架構、XML、EXI編碼方案等。這樣對軟件技術的大范圍支持在Linux上很容易實現(xiàn)，但是遺憾的是，配備96K到128K大小RAM的微處理器的使用與Linux不兼容。開發(fā)這樣的內部技術非常昂貴和費時，因此可能會對這些設備安裝實時操作系統(tǒng)。

實時操作系統(tǒng)(RTOS)不僅快速、高效和可靠，它們一般包括一個大范圍的網(wǎng)絡協(xié)議棧，對使用SSL或者TLS的安全性提供有力支持，而且大部分都滿足這些設備體積嚴重受限的要求及其它存儲要求。由Mentor Graphics提供的Nucleus實時操作系統(tǒng)是該種解決方案的一個例子。Nucleus得到了廣泛使用。實時操作系統(tǒng)可升級，滿足了所有智能電網(wǎng)設備的要求。它既有可靠的實時性能，并且集成了能源管理服務功能。這樣的實時操作系統(tǒng)可以安裝在存儲器受限的微控制器上，仍然可以提供聯(lián)網(wǎng)的智能電網(wǎng)設備要求的大量功能。

結論

隨著采用智能電網(wǎng)技術的預期快速增長，設計完全兼容的設備并且保持最低的材料成本，是生產制造商面臨的一大挑戰(zhàn)。要創(chuàng)造一款符合SEP2.0規(guī)范的設備，自行獨立開發(fā)的軟件設計可能不是一個好選擇，因為功能性要求非常多并且內部開發(fā)成本昂貴。另一種極端情況是，使用通用的操作系統(tǒng)會導致難以接受的成本增加，因此對硬件資源的升級換代需求大大增加。設備制造商需要在選擇軟件設計和硬件平臺時找到恰當?shù)钠胶?。使用可升級，?jié)能，具有大范圍網(wǎng)絡支持(有線和無線)的實時操作系統(tǒng)，以及一款目前市場有售的32位微處理器可能是目前能夠滿足所有這些要求的最佳途徑。根據(jù)這一設計方針，設計人員將大大減少他們將產品投入市場所需的時間，同時也能實現(xiàn)他們的智能電網(wǎng)應用目標。