利用Wi-Fi Halow技術(shù)，構(gòu)建智能、可持續(xù)的能源基礎(chǔ)設(shè)施

干凈、綠色、可再生、可持續(xù)。無(wú)論創(chuàng)新型能源公司如何標(biāo)榜自己，這些公司都有一個(gè)最終目標(biāo)，即減少對(duì)碳?xì)浠衔飦?lái)源的依賴，在創(chuàng)造、分配和消耗能源的過(guò)程中，減少所產(chǎn)生的有害排放和污染物。在每個(gè)階段，我們都有機(jī)會(huì)通過(guò)使用先進(jìn)的通信系統(tǒng)來(lái)提高效率。Wi-Fi HaLow就是其中一種先進(jìn)的通信系統(tǒng)。

Wi-Fi HaLow技術(shù)由W-Fi聯(lián)盟命名，由IEEE 802.11ah任務(wù)組將其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。與傳統(tǒng)Wi-Fi相比，Wi-Fi HaLow使用較低的頻率和較窄的頻帶信道，這樣的綜合效應(yīng)是連接距離更遠(yuǎn)，而總能耗更低。設(shè)備可以與最遠(yuǎn)1公里外的接入點(diǎn)(AP)進(jìn)行通信，具體取決于該國(guó)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的規(guī)定。對(duì)于一些跨越數(shù)平方公里的清潔能源系統(tǒng)，Wi-Fi HaLow可將8,000多臺(tái)設(shè)備連接到一個(gè)接入點(diǎn)。

表1：Wi-Fi HaLow與傳統(tǒng)Wi-Fi的比較

雖然傳統(tǒng)Wi-Fi是目前使用的最普遍的無(wú)線通信協(xié)議，但物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，迫使人們重新思考Wi-Fi，揭示出技術(shù)上的差距，以及在一個(gè)無(wú)所不包的互聯(lián)和綠色世界中，Wi-Fi需要扮演什么角色。許多的物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)對(duì)機(jī)(M2M)應(yīng)用，對(duì)遠(yuǎn)程連接和低功耗的更高要求，正以越來(lái)越快的速度，迎來(lái)Wi-Fi HaLow在現(xiàn)在以及未來(lái)的發(fā)展。

Wi-Fi HaLow的影響無(wú)處不在，從家居樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，到清潔能源系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、能量?jī)?chǔ)存和地?zé)嵯到y(tǒng)。

提高現(xiàn)有系統(tǒng)的效率

能源的創(chuàng)造、傳輸、儲(chǔ)存、分配和消費(fèi)等現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，都可以從效率的即時(shí)改善中受益。在大量的消費(fèi)設(shè)備上進(jìn)行小規(guī)模的改進(jìn)，可能會(huì)對(duì)需求產(chǎn)生重大影響。研究消費(fèi)模式可以更好地預(yù)測(cè)如何控制電網(wǎng)和發(fā)電站。Wi-Fi HaLow簡(jiǎn)化了跨更遠(yuǎn)距離連接更多設(shè)備的過(guò)程，從而使智能系統(tǒng)能夠利用更細(xì)粒度的信息和控制。

家居自動(dòng)化

采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)，是家居中最大的能耗設(shè)備之一。當(dāng)無(wú)線連接添加到可編程恒溫器時(shí)，房主可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的云應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程調(diào)整設(shè)置。然而，并非所有的房主都以有效的方式規(guī)劃其系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用模式，智能恒溫器會(huì)調(diào)整設(shè)置來(lái)提高效率，并考慮到住宅的占用情況。這些系統(tǒng)還可以通過(guò)在一個(gè)可能知道房主位置和日程安排的生態(tài)系統(tǒng)中，整合更高層次的信息而進(jìn)行改進(jìn)。

傳統(tǒng)的Wi-Fi可能需要購(gòu)買(mǎi)中繼器或數(shù)據(jù)流量來(lái)連接智能恒溫器和路由器，這增加了成本和能耗。低功耗的Wi-Fi HaLow溫控器，可以更容易地連接到家用Wi-Fi路由器，簡(jiǎn)化了安裝成本，并有可能使用電池運(yùn)行的溫控器，無(wú)需電源線。暖通空調(diào)系統(tǒng)中的各個(gè)組件，如空氣處理機(jī)、熔爐、熱泵、空調(diào)壓縮機(jī)和位于家中不同位置的傳感器設(shè)備，可以通過(guò)Wi-Fi HaLow互連，而非通過(guò)有線電纜。每個(gè)組件都可以成為暖通空調(diào)系統(tǒng)中不受約束的模塊化部件，每個(gè)組件都可以整合到使用分析中，而且隨著更高效技術(shù)的出現(xiàn)，每個(gè)組件都可以獨(dú)立升級(jí)。

此外，新型的Wi-Fi HaLow傳感器，如監(jiān)測(cè)房間占用率、日照角度、濕度和空氣污染等，可以為暖通空調(diào)系統(tǒng)提供更全面的信息，以進(jìn)行智能響應(yīng)。Wi-Fi HaLow傳感器的位置，可根據(jù)其提供的最佳信息進(jìn)行選擇，而非因?yàn)閃i-Fi的覆蓋范圍有限，而被限制在非最優(yōu)位置。這些被動(dòng)式系統(tǒng)只需要很低的能量，如果能通過(guò)Wi-Fi HaLow網(wǎng)絡(luò)可靠地連接到與接入點(diǎn)(AP)較遠(yuǎn)的位置，則可以大大降低對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的需求。

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(BAS)

Wi-Fi HaLow還可以提高商業(yè)建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的效率和擁有成本。以一個(gè)大型辦公大樓的空調(diào)系統(tǒng)為例。這個(gè)由壓縮機(jī)、傳感器、恒溫器和阻尼器組成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以聯(lián)網(wǎng)，為現(xiàn)場(chǎng)或云端的樓宇管理系統(tǒng)(BMS)監(jiān)視器，提供建筑物性能的高階視圖。構(gòu)建這種網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)方法，依賴于將有線電源和信號(hào)連接到大多數(shù)組件上。一些系統(tǒng)集成了短程無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，包括802.15.4 Zigbee或用于傳感器設(shè)備的專有無(wú)線電。專有集線器或網(wǎng)關(guān)的幾個(gè)階段，在從這些設(shè)備到互聯(lián)網(wǎng)上的樓宇管理系統(tǒng)(BMS)的路徑上，增加了延遲而且數(shù)據(jù)吞吐量也有限制。

Wi-Fi HaLow集成電路與這些有線技術(shù)和專有無(wú)線技術(shù)相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于Wi-Fi HaLow在低于1 GHz的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，使用較窄的信道帶寬，比有線技術(shù)或使用2.4 GHz的無(wú)線技術(shù)更容易穿透墻壁、天花板、地板和其他物體，因此設(shè)備可以放置在需要的地方，限制更少。這就省去了多階段的網(wǎng)狀連接和中繼器，降低了基礎(chǔ)設(shè)施成本和能耗設(shè)備數(shù)量。

智能電表和智能電網(wǎng)

采用Wi-Fi HaLow的公用事業(yè)電表，可以連接遠(yuǎn)達(dá)到1公里以上(根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的規(guī)定)。由于可以使用星型結(jié)構(gòu)，這簡(jiǎn)化了電力公司的網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)社區(qū)的單個(gè)接入點(diǎn)(AP)，就能監(jiān)控成千上萬(wàn)家庭的用電情況。Wi-Fi HaLow還通過(guò)采用Wi-Fi的WPA3級(jí)加密技術(shù)，提高了家庭之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。采用Wi-Fi HaLow的電表，能與接入點(diǎn)(AP)協(xié)商睡眠時(shí)間，在無(wú)需通信時(shí)節(jié)省電力?；赯igbee無(wú)線技術(shù)(無(wú)論是2.4GHz還是sub-1GHz的IEEE 802.15.4g Wi-SUN)的競(jìng)品解決方案，都是依靠設(shè)備的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，將信息回傳到小區(qū)的公用事業(yè)網(wǎng)關(guān)，以訪問(wèn)IP網(wǎng)絡(luò)。如前所述，這樣的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)會(huì)導(dǎo)致延遲，并降低網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中所有其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。

為家庭和企業(yè)供電的配電基礎(chǔ)設(shè)施，也可以從Wi-Fi HaLow的連接中受益。監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，依靠傳感器來(lái)了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，從而決定如何管理電網(wǎng)。在變電站監(jiān)測(cè)到的情況，通常用來(lái)推斷是什么原因?qū)е铝讼掠尉€路的故障，這些線路為附近的變壓器供電。通過(guò)安裝更多的傳感器、獲得更多的數(shù)據(jù)、更細(xì)粒度地了解次級(jí)網(wǎng)絡(luò)的狀況，包括附近每個(gè)變壓器的情況，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)可以就如何響應(yīng)做出更好的決策。Wi-Fi HaLow的遠(yuǎn)于一公里的覆蓋范圍和高吞吐量，可以用于收集變電站及其周邊地區(qū)的傳感器數(shù)據(jù)。

改善清潔能源系統(tǒng)

太陽(yáng)能

在過(guò)去的幾十年里，將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的光伏(PV)系統(tǒng)每千瓦的成本，已經(jīng)大幅下降。成本下降的很大一部分原因，是光伏面板效率的提高，目前最好的太陽(yáng)能面板的效率在25%上下。成本下降的另一部分原因，是由于科技創(chuàng)新，如微型光伏逆變器和優(yōu)化器，讓每塊面板的能量得到最佳利用。要產(chǎn)生一戶常規(guī)家庭所需的平均電力，與過(guò)去相比，現(xiàn)在所需的面板數(shù)量更少。監(jiān)控系統(tǒng)可以跟蹤建筑物屋頂上每一塊面板的狀態(tài)，為裝置達(dá)到峰值功率提供反饋。其中一些組件可能通過(guò)電源線進(jìn)行通信。一個(gè)單一的互聯(lián)網(wǎng)連接，通常是通過(guò)以太網(wǎng)、Wi-Fi、或蜂窩調(diào)制解調(diào)器，結(jié)合太陽(yáng)能系統(tǒng)與家庭的電網(wǎng)進(jìn)行連接。

通過(guò)在每塊面板、微型逆變器、電源優(yōu)化器和并網(wǎng)交換機(jī)中使用無(wú)線通信，可以對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)進(jìn)行最精細(xì)的監(jiān)控，而無(wú)需依賴通過(guò)電力電纜的數(shù)據(jù)流。這些集成電路(IC)可以在很低的電壓下運(yùn)行，并且可以通過(guò)在空閑時(shí)休眠來(lái)節(jié)省能源。通過(guò)本機(jī)IP無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)組件都可以連接到云端的管理系統(tǒng)。在未來(lái)，過(guò)時(shí)組件可以單獨(dú)升級(jí)為更高效的組件，而不必向后兼容有線通信協(xié)議。不同組件供應(yīng)商之間的互操作性，可以鼓勵(lì)創(chuàng)新和競(jìng)爭(zhēng)，從而加速消費(fèi)者市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

能量?jī)?chǔ)存

電池為小型設(shè)備和車(chē)輛儲(chǔ)存電能提供了最佳選擇。通過(guò)延長(zhǎng)無(wú)線傳感器的電池壽命，Wi-Fi HaLow減少了一次性電池的浪費(fèi)，為地球帶來(lái)了直接的益處。

鋰聚合物(LiPo)電池技術(shù)的進(jìn)步，徹底改變了從智能手機(jī)到電動(dòng)汽車(chē)等多個(gè)行業(yè)。整個(gè)房屋的能量，可能儲(chǔ)存在一個(gè)掛在墻上的大型鋰電池中。智能電池充電器可以將“免費(fèi)”的太陽(yáng)能儲(chǔ)存在電池中，也可以在非高峰時(shí)段通過(guò)電網(wǎng)充電。在用電高峰時(shí)，家用電池可以將需要的電能返還給房屋或電器，而高峰時(shí)段本來(lái)會(huì)以更高的費(fèi)率計(jì)費(fèi)。所有這些系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，都可以通過(guò)Wi-Fi HaLow在每個(gè)組件中進(jìn)行輔助。

電化學(xué)電池并不是儲(chǔ)存能量的唯一方式。將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，可以提供一種保持可再生清潔能源的方法。過(guò)剩的電能可以用來(lái)旋轉(zhuǎn)大型飛輪，大型飛輪通常在低摩擦的軸承上旋轉(zhuǎn)。當(dāng)需要時(shí)，飛輪的慣性可以通過(guò)發(fā)電機(jī)，重新轉(zhuǎn)化為電能。這一概念類似于水力發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電，只是形式更為緊湊。飛輪存儲(chǔ)設(shè)備的各個(gè)部分可以與Wi-Fi HaLow聯(lián)網(wǎng)，而不依賴于電線。

風(fēng)能

每座風(fēng)塔內(nèi)都有一個(gè)變速箱和發(fā)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力轉(zhuǎn)化為電力，通過(guò)電纜輸送到地面。所以需要對(duì)軸承和齒輪進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防止其過(guò)早磨損或發(fā)生振動(dòng)。同時(shí)也要對(duì)葉片的方向和節(jié)距進(jìn)行監(jiān)控，以確保向電網(wǎng)輸送穩(wěn)定的電力。風(fēng)塔內(nèi)還包括多種傳感器，用于測(cè)量各種環(huán)境條件，如風(fēng)速、風(fēng)向和是否結(jié)冰。一個(gè)采用Wi-Fi HaLow的網(wǎng)絡(luò)可以連接所有這些功能，新型小型傳感器還可以放置在以前可能無(wú)法觸及的地方。

地?zé)?、水電、天然氣、生物能?/strong>