מאת: איתן ריאחי, אלינה הנדסה
הקדמה: עבור נותני השירות והצרכנים ישנו ערך מינימאלי לרשת חכמה (Smart Grid) כאשר היא עומדת בפני עצמה, אלא אם כן ישנם “בתים חכמים” כדי להתחבר אליהם. החדשות הטובות הן שרשתות תקשורת ביתיות (Home Area Networks – HANs) – טכנולוגיה המאפשרת ניהול “בתים חכמים” – הופכות נפוצות יותר במוצרי ניהול ואוטומציה אלחוטי לשליטה ובקרה על אנרגיה, מוצרי בידור, תאורה, אקלים ומערכות אבטחה בשוק העולמי.
מערכות אוטומציה של “בית חכם” שהיו פעם נחלתם של בתי יוקרה בלבד מפלסות את דרכן בצורה משמעותית לבתים מהמעמד הבינוני. טכנולוגיות אלחוטיות חדשות בשילוב עם חומרה, בעלת צריכת אנרגיה ועלות נמוכות הפכו את רשת התקשורת הביתית (ה-HAN) נוחה וקלה להתקנה עבור כל בית ממוצע. ספקי התקשורת והטלקום השונים החלו להציע שירותים “ביתיים” ולאפשר גישה ושליטה על מערכות ביתיות המחוברות על קווי האינטרנט או הסלולר. טכנולוגיות רשת אלחוטית אלו משולבות כדי לאפשר פתרון של “רשת חכמה” לניהול אנרגיה באופן יעיל, נוח ומאובטח יותר.
כיום, משקי הבית צורכים כחמישית מהאנרגיה הכוללת של כלל המשק בכל שנה, כאשר 60% מהצריכה מגיעה בצורה של צריכת חשמל. במקביל, נותני השירות נאבקים כדי לנהל את דילמת שיא ביקוש האנרגיה, שבה כ-10% מקיבולת ייצור החשמל קיים רק כדי שניתן יהיה להשתמש בו ב-1% מן הזמן.
יחד עם זאת, חיסכון עצום בעלויות, שיפור האמינות ויעילות האנרגיה הינם ברי השגה בתוך בתים וברחבי רשת האנרגיה. זאת ללא כל צורך בבניית תחנות כוח נוספות, אם ניתן יהיה לייצר בהתאם לביקוש לאנרגיה ולהגיב באופן דינמי באספקת האנרגיה הזמינה. למעשה, “לעשות פחות” היא כבר לא אופציה מנקודת מבט כלכלית או סביבתית.
לצורך כך, נותני השירות פורסים תשתיות של מערכות מדידה מתקדמות (AMI) המתחברות לבית חכם – HAN ונשלטות ע”י מרכז בקרה של נותן השירות. ה-AMI משתמש בטכנולוגיית תקשורת אלחוטית דו-כיוונית בכדי להעביר מידע ופקודות בין הבית ונותן השירות. בתוך הבית, ה-HAN מתחבר לתרמוסטטים, מתגי עומס, מערכות תאורה, צגים ביתיים ומתקני אוטומציה (או ל-Gateway נפרד).
רשת זו מאפשרת איסוף וההפצה של המידע לצרכנים ולגורמים שונים, בנוסף לנותן השירות עצמו.דבר זה יכול לשמש מטרות רבות, כגון מעקב על זמן השימוש
(TOU-Time of use) ומידע על העלויות, פעולות ביקוש/תגובה ושירות מרחוק. באמצעות ניטור חכם ויכולות הבקרה של ה-HAN, הצרכן הופך חכם יותר באשר לדפוסי הצריכה שלו ובו בזמן ביקוש האנרגיה נעשה באופן דינמי ובהתאם לאנרגיה הזמינה. כתוצאה מכך, הן הלקוח והן נותני השירות מרוויחים הוזלה משמעותית, אמינות ואנרגיה יעילה, מבלי להקריב נוחות.
ZigBee כפתרון…
לצורך קשירת שני חלקי (HAN ו-AMI) הרשת נשתמש בטכנולוגית ה-ZigBee, תקן רשת אלחוטית גלובלי שתוכנן במיוחד לבקרה ולניטור יישומים. ZigBee הינה טכנולוגית רשת אלחוטית Ulta-Low-Power שהופכת אותו מעשי בהטמעת תקשורת אלחוטית לכמעט כל התקן או HAN חכם – כגון: מונים חכמים, בקרות אקלים, משנקי תאורה, מערכות גילוי אש ועשן ומערכות אבטחה – ללא כל עלות של התקנת חיווט קשיח.
ZigBee מאפשר שילוב התקנים עצמיים לתוך רשתות Mesh אלחוטיות חזקות באופן אוטומטי ולהגדיר את עצמם, וכמו כן מאפשרת להרבה מכשירים בודדים לעבוד במשך שנים על סוללה בלבד. סטנדרט ה-ZigBee מציע טכנולוגיית בקרה אלחוטית לאנרגיה חכמה, אוטומציה ביתית, ומגוון רחב של מוצרי חישה ויישומי ניטור והינה הטכנולוגייה המועדפת ליישומי HAN.
מה שקידם באופן משמעותי את תקן ה-ZigBee הוא פרופיל ה-ZigBee Smart
(Energy SE) שהוגדר ב-2008, לניהול HAN. פרופיל ה”אנרגיה החכמה” (ה-SE) מגדיר את אופן השימוש במכשירים מאובטחים, כגון טרמוסטטים מתוכנתים. שימוש בטכנולוגיית ZigBee “אנרגיה חכמה” מציע שירות תקן פתוח אמיתי ליישום תקשורת HAN. היתרון העיקרי לצרכנים הינו בכך שהתקן מאפשר להם לנהל את צריכת האנרגיה שלהם בחוכמה באמצעות אוטומציה ומידע כמעט בזמן אמת.
ה-ZigBee מאפשר לבעלי בתי HAN ולנותני השירותים לתקשר בזמן אמת ולשתף פעולה בניהול צריכת האנרגיה, במיוחד בזמנים של ביקושי שיא. בנקודות אלה, מערכת ה-AMI ומערכת ה-HAN יכולים לעבוד יחד ליצירת תקשורת טובה יותר בין צרכנים, עסקים ונותני השירותים, ואפילו לנהל באופן אוטומטי התקנים בעלי עומס גבוה בבתים המשתתפים, כמו שינוי הגדרת התרמוסטט של מערכת. בעלי בתים יוכלו לחסוך כסף באמצעות חשבונות נמוכים והנחות אטרקטיביות תוך סיוע הקהילה במניעת הנזקים של הפסקות חשמל.
ספקים רבים כבר הכריזו על מוצר ZigBee Smart Energy כמוסמכים, כגון: Landis+Gyr, Computime Limited, Comverge, Energate, Greenbox Technology, Itron, LS Industrial Systems, Co. Ltd., PRI, Tendril ו-Trilliant. גם ספקי טכנולוגית הצפנה (כמו Certicom) המספקים אבטחת רשת חזקה עבור פריסות AMI/HAN הסמיכו את הטכנולוגיה. אבטחה חזקה היא קריטית עבור שירותים אלו וזאת בכדי להבטיח שמכשירי HAN המתאימים, יאומתו ויחוברו לרשת. בדרך זו, ספקי אנרגיה יכולים להבחין בין מכשירי ה-HAN השונים הנמצאים תחת שליטתם.
לדוגמה, מערכת אוטומציה ביתית משולבת במלואה ניתנת להגדרה וזאת בכדי לקבל מידע אודות התמחור לציבור והודעות מספקית האנרגיה ולאחר מכן לבצע פעולות מתוכנתות מראש, המבוססות על רמות התמחור נוכחיות. רק מכשירים שאומתו יורשו להשתתף ישירות בפעולות תגובת ביקוש ביוזמת הספק.
ZigBee הינה טכנולוגיה פשוטה לשימוש אשר ניתן לשלבה בקלות לתוך מגוון רחב של מכשירי HAN. בניגוד, לטכנולוגיות רשת ביתית קודמות, טכנולוגיית ה- ZigBee בעלת יכולת מדרגית גבוהה (Scalable), הטכנולוגיה חזקה ומסוגלת לתמוך במאה או אפילו אלף מכשירים ברשת אחת. בנוסף, היא סובלנית מאוד כלפי הפרעה מהתקני רדיו אחרים, כולל Wi-Fi ו-Bluetooth. למעשה, לחלק ממוצרי האוטומציה הביתיים הפופולריים יצורף חיבור האינטרנט אלחוטי וZigBee מובנה באותו המכשיר.
חברת EMBER, שנרכשה רק לאחרונה ע”י חברת Silicon Labs, הינה מובילה בטכנולוגיית ה-ZigBee למוצרי “אנרגיה חכמה” ול-HAN. בשנת 2010 הייתה הראשונה שסיפקה לשוק מעל ל-10 מיליון רכיבי ZigBee אלחוטיים. סדרת ה- EM35x של ®Ember® ZigBee המושתתת על ARM Cortex M3 מספקת ביצועים מובילים, צריכת זרם נמוכה, וקוד במארז קומפקטי. הסדרה מכילה משדר/מקלט 2.4GHz IEEE 802.15.4, מיקרופרוססור של 32-bit, רכיבי זיכרון – Flash ו-RAM.
חברות Metering מובילות בעולם בחרו במוצרי Ember לפתרונות ה-ZigBee שלהם. “סדרת-EM300 של חברת Ember מאפשרת לנו לספק ללקוחותינו פתרון יעיל וזמין (Cost Effective) בטכנולוגיית ה-ZigBee ומאפשר מעקב חכם לפתרון של דרישה/תגובה, בקרת צריכה, מחיר והתקשורת. בנוסף, צריכת הזרם הנמוכה של רכיב EM357 הינו יתרון לקוחותינו. כאשר חסכון האנרגיה בהתקן בודד הינו נמוך,אך בנפח רשת של מאות ואף אלפים של מוצרי התקן, זה מסתכם בחסכון אנרגיה משמעותי לצרכנים ולנותני השירות. זה לא רק חוסך כסף לנותני השרות, אלא גם נותן מענה חיובי לאיכות הסביבה” (Landis+gyr, Global Product Manager).
קינפוג רשת תקשורת ביתית HAN ורשת תקשורת שכונתית
לעתים קרובות בית חכם HAN מתחבר לספקית האנרגיה באמצעות רשת אזור שכונתית (NAN) של מונים חכמים לנקודת צבירה, ושם לרשת backhaul שמחברת את נקודות הצבירה למערכות העורפיות של נותני השירות. בפריסת HAN טיפוסית, המד החכם משמש (Energy Services Portal), אשר הינו השער (Gateway) בין HAN מבוסס ה-ZigBee ורשת ה-NAN של ספק האנרגיה. במקרים מסוימים – במיוחד בסביבות חסרות פיקוח – ל-ESP יכול להיות שער נפרד המתחבר לספקית האנרגיה דרך חיבור פס רחב מקומי או ברשת סלולרית מקומית. המד החכם יכול עדיין להשתתף ב-HAN, אבל בהכרח
כ-ESP. במקרים אלה ואחרים, ה-ESP יכול לתקשר בקלות עם מגוון רחב של מכשירים המותאמים ל-ZigBee.
מכשירי בקרת עומס
מכשירי בקרת עומס הינם התקנים גנריים פלאג-אין לצורך ניטור ובקרה של מכשירים בעלי צריכת זרם גבוה, כגון מזגנים ומשאבות בריכה. בעתיד הקרוב, יצרני מכשירים המיועדים לצרכן יציעו דור של “מכשירים חכמים” משובצים עם טכנולוגיית ה-ZigBee וזאת בכדי להרחיב את השליטה במכשיר AMI בתוך הבית.
למה טכנולוגיית ZigBee היא המתאימה ביותר ל-HANs?
רשת אלחוטית – ולא קווית – היא מפתח המאפשר HAN רשת תקשורת ביתית, וזאת בנוסף לעלויות ההתקנה הנמוכות באופן משמעותי, משום שהיא מאפשרת את השימוש במכשירים המופעלים באמצעות סוללות שאינם מחוברים ישירות לקווי חשמל ביתי. הרשת האלחוטית יכולה לשלב גם מערכות מדידת גז ו/או מים, שממילא דורשות את השימוש בתקשורת אלחוטית, שפועל על סוללות. מסיבות אלו אנליסטים מעריכים כי נותני השירות ישקיעו מעל ל- 1.6 מיליארד דולרים בטכנולוגיות רשת חיישנים אלחוטיות – בעיקר ZigBee – למדידה חכמה ותקשורת, במהלך 2013.
בדיוק כמו שהשימוש ב-Wi-Fi גדל כדי לענות על הביקוש לרשתות נתונים אלחוטיות,
ה-ZigBee התפתח כתקן דומיננטי לרשתות אנרגית ניטור, בקרה וניהול.טכנולוגיית ה-ZigBee תוכננה במיוחד עבור בקרה אמינה מאוד, צריכת חשמל נמוך ועלות נמוכה לניטור יישומים. ה-ZigBee מושתת על גבי סטנדרט IEEE 802.15.4, המגדיר את שכבת ה-physical ואת שכבת ה-Media Access Control (MAC), הפועל בדר”כ
ב-250kbps על אחד מתוך 16 ערוצים לבחירה בתחום ה-2.4Ghz, אשר אינו דורש רישיון ברוב העולם.
The ZigBee Alliance
תקן טכנוגוליית ה-ZigBee הוגדר ע”י יותר מ-300 חברות, כולל כמה מהמותגים הידועים ביותר בעולם וביניהם חברת Silicon-Labs. הקבוצה משתמשת במעבדות עצמאיות לבדיקה, בכדי לאמת ולאשר את פלטפורמות ומוצרי ZigBee לעמידה בדרישות ובמפרט שהוגדר. כדי להרוויח את השימוש בלוגו של ברית ה- ZigBee, אשר מבטיח יכולת פעולה הדדית ברמת פרוטוקול, מפתחים חייבים להתחיל עם “פלטפורמה תואמת ZigBee, “מורכבת מסיליקון ושילוב חבילת תוכנה שנבדק על ידי מעבדות הקבוצה.
טכנולוגית ה-ZigBee גברה על פני הצעות קנייניות קודמות וזאת בנוסף שהיא מעל לכל ספק, הטכנולוגיה הבשלה, הפתוחה, והפועלת כסטנדרט זמין כיום לא רק בשל עליונות הטכנית שלה.
לסיכום
מקור האנרגיה הנקי ביותר הוא של האנרגיה שאינה נוצרה מראש. זו הסיבה ששימור האנרגיה הינה “אבן הפינה” של כל תכנית אנרגיה עתידית. עם זאת, נותני השירותים נאבקים בכדי לנהל את דילמת שיא ביקוש אנרגיה, שבו כ-10% מקיבולת ייצור חשמל כוללת, קיימים רק כדי לשמש פחות 1% מהזמן. מערכת ה-HAN מסייעת להצלחת יוזמות רשת חכמות בכך שהיא עונה על כל אלה, שימור האנרגיה, אתגרי תגובת הביקוש. טכנולוגיית ה-ZigBee היא אלמנט קריטי במערכות תקשורת אלה מכיוון שהיא מספקת עמידות ואמינות בעלות נמוכה.
