佈署 IoT Edge 和霧運算技術以開發智慧建築服務
2021年2月19日 星期五
《3S MARKET》這篇報導把物聯網的架構與實作,描寫的非常詳細,雖然在建築的細節上描述不多,但報導中也提及這是個實際驗證,可適用在很多的場域。不知道,有多少人真正看得懂?當然,連這篇都看不懂的人,就別說他真正了解物聯網、Edge 與 Cloud。
事實上這篇報導的描述不難了解,真正物聯網與邊緣運算的挑戰,是在實作。實作真正面臨的,是這些數據處理、融合、分析上的完整度,還有 —— 找到實作的場景!
摘要
基於 SoC 架構的嵌入式系統的進步,使許多商業設備的開發變得足夠強大,足以運行操作系統和複雜的算法。這些設備整合了一組具有連通性、運算能力和成本降低的不同感測器。在這種情況下,物聯網(IoT)的潛力不斷增加,並帶來了其他發展可能性:「事物」現在可以增加數據源附近的運算量;因此,可以在本地系統上,佈署不同的物聯網服務。
這種範例稱為「邊緣運算」,它整合了物聯網技術和雲端運算系統。邊緣運算可以減少感測器與中央數據中心之間,所需的通信頻寬。此方法需要管理感測器、執行器、嵌入式設備,和可能不連續連接到網路的其他資源(例如智慧手機)。這種趨勢對於智慧建築設計非常有吸引力,在智慧建築設計中,必須整合不同的子系統(能源、氣候控制、安全性、舒適性、使用者服務、維護和營運成本)以開發智慧設施。在這項工作中,分析和提出了一種基於邊緣運算範例的智慧服務設計方法。
這種新穎的方法,克服了現有設計中與服務的互操作性,和可伸縮性有關的一些缺點。描述了基於嵌入式設備的實驗架構。能源管理、安全系統、氣候控制和資訊服務,是實施新智慧設施的子系統。
1. 簡介
建築自動化系統使用開放式通信標準和介面,可以整合多種不同的建築控制規則,例如供暖、通風、空調、照明和百葉窗、安全功能和設備。但是,現有建築物通常不具有這些系統。
通常,每種安裝類型都提供特定的服務:供暖通風和空調(HVAC)控制氣候服務,攝影機和感測器提供安全服務等。僅當設計能源管理系統時,不同的子系統相關,但僅透過以下方式,連接建築物的能源管理系統。能源管理服務,集中在專用軟體中。
對於使用者和維護技術人員來說,提供不同服務的不同製造商,發現很難整合新的服務和功能。自動化建築將用於控制和數據採集的軟體,與工業協議和介面整合在一起。此外,將新服務整合到這種解決方案中並不容易,這取決於已安裝軟體的開發。
這些工業發展還為能源管理,提供了雲端連接解決方案和智慧服務。這些服務,也在集中式電腦系統中開發。數據被傳輸到這些系統或雲端進行分析。本文提出使用佈署在物聯網(IoT)技術中的邊緣和霧運算範例,主要有兩個目的:
A. 在自動化和非自動化建築物中,促進新的智慧和可互操作服務的整合(整合)。
B. 允許在建築物的所有子系統之間,分配智慧服務(互操作性)。
透過該建議,可以促進建築物子系統之間的關係。它還促進創建新的智慧服務(例如,新的分佈式智慧控制算法;使用電源管理捕獲的數據,來檢測人類活動;捕獲設備連接的模式辨識,運算可再生電力預測,在安全服務中使用電力數據等)。在這項工作中,我們設計了一個中間軟體的體系結構,該體系結構具有兩個主要層,這些層基於嵌入式設備、IoT 通信協議和硬體支援,來開發人工智慧算法(圖1)。
為了實現這一目標,我們在建築物的設施中添加了兩個概念等級:邊緣節點和霧節點。每個等級都有不同種類的設備和功能。我們佈署並實現了基於層的中間軟體的體系結構,以對模式進行實驗。
本文的組織結構如下:第 2 節回顧了智慧建築技術,建築物中的 IoT 佈署以及邊緣運算範例。第 3 節提出了一種在建築物(自動與否)中佈署邊緣和霧運算範例的方法。第 4 節介紹了進行的實驗。最後,第 5 節介紹了結論和未來的工作。
2. 相關工作
本節介紹與這項工作相關的主要研究領域。首先,我們在分析雲端運算層之後,回顧了基於邊緣運算範例的資源和服務供應。最後,我們研究了實現智慧建築的技術,並在最後的小節中,總結了先前研究的貢獻。
2.1. 邊緣運算資源和服務供應
最近,網路在兩端被標記為「邊緣」和「核心」,以查明處理發生的位置。邊緣端靠近數據源和使用者,核心端由雲端伺服器組成。透過這種方式,邊緣運算範例將運算推送到 IoT 網路的邊緣,以減少數據處理延遲,和發送到雲端的數據數量。基於雲端的後端,可以處理對時間不太敏感,或源設備本身不需要結果的處理請求(例如,物聯網網路狀態下的大數據分析)。
在邊緣運算資源供應方面,正在進行的 Horizon 2020 RECAP 項目,提出了一種整合的雲端 - 邊緣 - 霧端架構,目的在解決應用放置、基礎架構管理和容量供應。雲端/邊緣基礎架構監控功能豐富了應用,基礎架構和工作負載模型,這些模型又被回饋到優化系統中,該系統可以協調應用並持續配置基礎架構。
徐等人進行的研究。 提出了一種用於邊緣運算的實用感知資源分配方法,稱為 Zenith。借助 Zenith,服務提供商可以與邊緣基礎設施提供商,建立資源共享合同,從而允許延遲感知資源調配算法,以滿足其延遲需求的方式,來調度邊緣任務。
邊緣節點資源管理(簡稱 ENORM),是管理邊緣/霧節點資源的框架,可透過監控應用需求,來自動擴展邊緣節點。可以透過靜態優先等級分配,來確定特定應用的優先等級。供應和自動縮放機制,是基於線性搜索的相對簡單的實現。
當源本身是可行動的時,邊緣雲範例也是可行的。 Chen 等人研究了行動設備向邊緣節點(特別是在無線電接入網路邊緣)的智慧運算分流。在這項工作中,作者提供了任務卸載算法,將分佈式運算卸載決策表述,為多使用者運算卸載功能。在同一項工作中,Wang 等人研究了聯合協調卸載任務,到多個邊緣節點的問題,並提出在邊緣等級引入及准入控制,以及兩階段調度方法,與傳統的最近邊緣選擇方法相比,改進了卸載性能。
2.2. 雲端運算服務配置
就社會和行業採用資訊技術而言,雲端運算範例是最具創新性的策略之一。提供的優勢提高了效率,並降低了成本,同時提供了可透過 Internet,普遍存取訪問的按需 IT 資源和服務。
當前,雲端運算服務種類繁多,甚至如何提供,這是一個受到廣泛研究的主題,正在提出許多的方案。甚至有評論總結了雲端運算範例的相關研究。
本小節介紹了有關以下問題的先前工作,這些問題與本手稿的主題有關:(i)安全性; (ii)服務品質(QoS); (iii)提供邊緣服務。
(i)安全是雲端運算中一個具有挑戰性的問題。雲端服務位於應用環境之外,並且超出了防火牆的保護範圍,因此,需要附加的安全層。另外,邊緣和霧運算應用的行動性和異構性,使得難以定義單個過程。因此,需要一種分佈式安全策略。
此外,必須有一個標準化的環境,才能正確解決此問題,並指定霧運算和邊緣設備,如何相互協作。網路邊緣上的多個霧節點之間的敏感數據通信,需要資源受限的事物的輕量級解決方案。另一個與安全性相關的問題是數據位置。在雲端中運行數據分析是很常見的。因此,關於數據安全或隱私的公有雲與私有雲的爭論就出現了。
(ii)分配給雲端應用的資源,通常是根據合同規定的服務水準協議(SLA)所設置的。但是,實際上,由於偶爾執行大量事務,而導致分配的基礎結構飽和,可能會出現瓶頸。為了解決此問題,可以在資源可用時,動態擴展雲端基礎架構。當前,最具創新性的趨勢,目的在建構自動 SLA 合同合規系統。在 Faniyi 和 Bahsoon,以及 Singh 和 Chana 進行的研究中,可以找到與品質服務管理相關建議的詳盡綜述。考慮到這一點,提出了幾種策略來預測,應用的資源需求和 QoS 的要求。最近的工作試圖將安全性和 QoS 問題結合起來,以提供全面的性能指標。
(iii)最後,濫用雲端服務,是該領域的另一個問題。物聯網環境是霧和邊緣設備不斷加入或離開,動態的執行前後關聯。因此必須在網路邊緣提供彈性的服務。為此,在網路的可用設備之間,共享應用工作負載,可以為高階運算應用提供靈活性。提出了可靠的服務供應方法,來為系統提供更高的彈性,並提供靈活和優化的雲端服務。
在本主題中,將雲端框架和中間軟體技術,設置為與雲端層,以及具有不同介面操作系統,和體系結構的設備之間,進行通信的平台。
2.3. 物聯網在建築服務工程中
物聯網開發為在建築物上,開發數位服務提供了新資源。建築物中常見的物聯網應用,包括節能的過程環節、維護改進、雜務自動化和增強安全性。由於全球變暖,建築物的節能是一個重要的課題。
物聯網技術引入智慧建築,不僅可以減少本地溫室氣體排放,還可以將減少溫室效應擴大到更大的領域。目前,物聯網還被用於建築領域,以協助設施管理。物聯網使營運系統能夠提供更準確和更有用的資訊,從而改善營運,並為房客租戶提供最佳體驗。有基於物聯網的建議,這些建議顯示建築系統,如何與雲端進行通信,並分析所獲取的數據,以開發新的業務見解,從而能夠推動真正的增值和更高的績效。
實驗研究顯示,物聯網平台不僅可以改善,工業能源管理系統中實體的互連性,而且可以降低工業設施的能源成本。 FacilitiesNet 表示,建築物聯網(BIoT)正在推動我們獲取資訊,彼此互動和做出決策的方式發生重大轉變。BIoT 不僅與連接性或設備數量有關,而且還與交付實際和相關結果有關。當前,有很多基於物聯網的智慧家庭應用的例子。
然而,智慧設備或「物」,僅僅是連接到網路的設備或嵌入式系統。增值來自設計協調系統,和提供智慧服務,以提供實際收益的能力。這些特徵基本上,取決於對不同類型連接事物的異質性,及其互操作性的管理,並取決於數據處理提供的情報潛力。
Tolga 和 Esra 進行的研究得出的結論是,就智慧家庭系統中的軟體和硬體而言,物聯網技術尚未變得穩定。原因之一,有可能是物聯網技術仍處於發展階段。McEIhannon 所撰寫有關物聯網應用的邊緣雲和邊緣運算的未來,其評論得出了類似的結論。這篇評論提到概念和發展,目前還處於早期階段,從學術和行業的角度來看,許多挑戰都需要解決。
物聯網帶來了新的機會,但許多企業仍在尋求了解和分析,其將如何影響,並與現有的 IT 結構和管理策略整合。為此,必須創建專門的使用模式和技術,來彌合這一差距。
2.4. 發現
以下結論闡明了這項研究建議的新穎之處:
雲端運算作為「實用」的一般概念,非常適合智慧家庭應用的常規需求。但是,在某些情況下,將所有運算都移到雲端中,是不切實際的。
邊緣計算作為一種計算範例而出現,可以在物聯網設備生成的數據附近執行計算。這種範例可能有助於滿足最新應用的安全性和 QoS 的要求。
當前,控制子系統的高級建築設施,通常使用 Internet、IoT 協議和 Web 服務。專有系統是使用標準的 Internet 通信協議設計的,用於管制和監控。先前的工作顯示,基於無線感測器網路、Web 介面和工業控制模式,用於氣候控制、電源管理或安全性的控制系統,使用不同的監視和控制技術。監控應用分析,得自監控和數據採集系統中的這些子系統。對於不同的子系統,有不同的解決方案。考慮到上述情況,本工作中提出的模式,引入了以下新穎元素:
A. 介紹了一種分層架構(整合了邊緣和霧端等級),以及提供子系統之間互操作性,以及在建築物控制中開發智慧服務的方法,該方法使用了邊緣和霧端範例,這些範例將 IoT 協議整合在一起,並在本地 Intranet 中操作 AI 技術,讓雲端服務的通信層,完善了該層的架構。
B. 介紹了一種基於使用者為中心的方法,用於在互操作性需求下設計、驗證和改進新服務。
C. 該提案允許使用可以在已建的建築物中,實施的非專有硬體和軟體系統。
3. 計算模式設計
建築物中的設施子系統分為有照明、氣候、能源、安全、警報、電梯等。在自動化建築中,這些子系統由專門的控制技術控制和監控。在非自動化建築物中,不存在這些服務,並且子系統透過電子和電氣方式進行控制。在這兩種情況下,所有子系統都為建築營運,提供必要的服務。
從邏輯上講,每個子系統都在其場景中起作用,並且不能與其他子系統互操作。嵌入式電子控制器和連接的不同感測器,可以使每個子系統自動化。這些服務都是基於直接反應性控制規則。除了嵌入式控制系統和感測器之外,通信技術(基於 Internet 協議)和新的行動設備還為開發管制、監控和數據訪問服務,提供了新的可能性。
在智慧型動設備上開發,並連接到 Web 伺服器的人機介面和專用應用,是近年來已實現的服務的範例。每個子系統中的專家(氣候、安全性、電源等),都具有可以轉換為專家規則的知識。這些規則被轉換為用於管理、維護、控制、優化和其他活動的控制算法。這些規則是可以,在可程式設備上編程和實現的。但是,它們是靜態的,不會在出現新情況時發生變化,並且不能互操作,也無法適應每個安裝的特性。
例如,氣候或安全專家決定,如何使用標準啟動條件,來配置每個子系統。每個控制規則僅在一個子系統(此範例中為氣候或安全性)中工作,因此,這些子系統之間沒有互操作性。考慮到這種情況,提出的模式有助於並允許,基於不同子系統的互操作性,來整合新的數位服務,並將人工智慧(AI)技術的新服務,引入當前設施。
例如,諸如電梯控制的設施,可以用於安全服務或建築能源管理服務。氣候控制設施,可以與安全子系統整合在一起。整合到模式中的天氣預報軟體系統,可以由能源管理服務,或建築物空調服務使用。
目的是讓每個子系統中的專家,參與設計整合服務,並將所有子系統轉換為可互操作的系統。該模式會開發自動規則,並允許在考慮安裝行為本身的情況下進行決策。該模式基於一個過程,該過程包括四個開發階段(圖2)和分為不同級別的硬體 - 軟體體系結構(圖3)。該體系結構的主要等級,是邊緣等級和霧等級。這兩個層次介紹了在建築物中,應用物聯網技術的新穎性。下面介紹了模式的各個階段(分析、設計、實施和啟動)。
.分析:在此階段確定了不同的專家使用者(氣候、安全、電力、水、能源、管理人員,以及資訊和通信技術(ICT)技術人員)。諮詢專家使用者,以指定需要控制的主要過程。資訊通信技術專家作為整合環節,參與了這一過程。第一種方法產生了設計控制規則,和潛在服務所需的事物(對象)。在此階段,使用以使用者為中心的方法,並捕獲子系統的需求。
.設計:我們提出了一個三層架構(邊緣、霧端和雲端),如圖 3 所示。
.實施和數據分析:在此階段中已安裝和整合了子系統。服務基於每個子系統中的規則,分析事物(對象)生成的數據,以設計基於機器學習的服務。
.啟動:最初,在每個子系統的監督下制訂專家規則。然後,使用回饋過程安裝規則。最後,透過人工智慧技術,可以推斷出自動的和經過調整的規則。
3.1. 分析與設計
專家使用者對此過程,進行不同的審查。以使用者為中心的技術,用於設計整合流程。目的是獲得所需的所有事物(對象),它們之間的關係,以及潛在的服務。一旦指定了事物(對象)和服務,就必須關聯通信協議和控制技術。選擇了物聯網協議和嵌入式控制器;提出了人機介面;指定了邊緣層和霧層及其功能;分析專家規則和智慧服務。最後,提出了維護和操作方法。所有這些任務在專家技術人員,和資訊技術專家之間共享。
結果是事物的定義,它們之間的關係,以及與邊緣和霧層的交互作用。該過程中代表了建築物的所有子系統,數據感測器、執行器、控制器、規則和過程經過設計,可以整合所有子系統。數據集、對象和設備,由物聯網概念表示。事物由具有狀態和配置數據的實體,和前後關聯組成。事物數據位於霧和邊緣節點中,儲存的不同配置中的關聯性。
事物以數據向量表示:[ID、類型、節點、前後關聯情境]。
– ID是辨識碼。
– 類型可以是感測器、執行器、變量、過程、設備、介面、數據儲存,或可以在 IoT 生態系統中寫入、處理、通信、儲存或讀取數據的任何對象。
– 節點指定建築物子系統、功能描述、層類型(邊緣、霧端、通信或雲端)、IoT 協議和時程存取訪問。
– 前後關聯表示在 IoT 生態系統中,用於發布或讀取數據的時間、日期、位置,與其他事物的關係、狀態和訪問頻率。
表 1 是由事物([ID、類型、節點])。所有事物都可以訪問配置文件(CF),以了解如何使用可用數據,以及如何使用適當的訪問權限配置新數據。前後關聯數據位於內建記憶體,或是靜態儲存。使用定義的事物,設計不同的控制規則。這些控制規則是分佈在連接到網路的不同嵌入式系統中,控制過程的一部分。事物表示佈署在安裝的不同子系統中,所有的可用資源。在此等級上,設計師對所有事物進行分析、指定和關聯。基本控制算法是使用此資訊實現的。配置關聯性允許層和設備之間,所有事物的互操作性。
在此階段的另一級設計,必須提出物聯網管理中,使用的節點要求和規範。設計的流程和服務,將在邊緣或模糊節點中實施。必須指定每個節點,以確定其內部功能、通信及其服務。在獲取數據的地方,開發了智慧和處理能力。邊緣和霧層的節點,位於數據感測器、執行器和控制器附近。本文提出的方法,使用具有兩個功能的兩層(邊緣和霧端)。每一層都可以佈署互連節點的網路,以促進互操作性。
邊緣和霧層的功能是:
邊緣層功能:在連接感測器/執行器的嵌入式設備上,開發的控制軟體。某些 AI 算法可以安裝在邊緣節點上。中央處理器(CPU)和計算資源有限。安裝了通信介面,以允許在本地網路中進行整合。
霧層功能:局域網級別的通信、AI 範例、儲存、配置關聯性和監控活動。霧節點透過處理、通信和儲存,來處理 IoT 的Gateway、伺服器設備,或其他設備中的數據。在此等級實施本地、全球的整合服務。利用這些節點的硬體、軟體和通信功能,開發了基於機器學習範例的算法。霧層設備還可以在很少單位的設施或服務中,執行邊緣節點功能。
透過這兩個等級,可以優化建築設施,以獲得不同子系統之間的整合和互操作性。
表 1 顯示了每件事與關聯性配置,和節點規範的關係。節點標識其所屬的子系統(控制、能源、氣候等),層(霧端、邊緣、通信和雲端)及其執行的功能。
3.2. 架構設計
在分析和設計階段,獲得對象(事物)及其關係。規範和要求用於實現每個層。實施取決於提供所需功能的設計,和現有技術(硬體、通信和軟體)。在此階段,開發了一種適合現有設施的體系結構。物聯網協議提供互操作性,而 AI 範例則提供了適應性和優化性。邊緣運算節點用於控制設備,霧運算節點安裝在本地網路節點上。這些等級為配置、安裝和運行新流程,提供了強大的資源。
物聯網協議,傳達所有子系統數據。每個子系統由對象/事物(虛擬等級)組成,安裝為可連接的感測器/執行器/控制器設備(硬體等級)。
物聯網通信中,針對建築場景建立的要求是:標準協議、低功耗、易於存取訪問和維護、支援整合新模組,非專有硬體或軟體,以及低成本設備。
MQTT 協議,是目的在用於提供整合和互操作性資源,異構通信場景的主要物聯網協議之一。該協議被提議作為感測器、執行器、控制器、通信設備,和子系統之間的通信範例。
MQTT 協議的一些主要功能,在不同的著作中有所顯示,這使其特別適合於這項研究。他們之中有一些是:
.它是針對資源受限的場景開發的發布 - 訂閱消息協議。
.它具有低頻寬要求。
.這是一個非常節能的協議。
.編程資源非常簡單,使其特別適合於嵌入式設備。
.具有三個 QoS 等級,它提供了可靠和安全的通信。
MQTT 開發了無所不在的網路,該網路支持 n-m 節點通信模式。任何節點都可以查詢其他節點,並對其進行查詢。在這些情況下,任何節點都可以充當基地台的角色,能夠將其資訊傳輸到遠端處理位置。無處不在的感測器網路(USN)中的節點,可以處理本地數據。如果使用 Gateway,則它們具有全局可訪問性;他們可以提供擴展服務。
節點(邊緣或霧),可以具有本地和全局存取訪問權限。這些設施具有不同的可能性和益處。本地數據處理,對於基本過程控制是必需的,而全局處理則可用於模式檢測和資訊生成。從這個意義上講,擬議的平台使用了組合功能:連接到 IoT 雲端服務,本地網路區域上不同的 USN。在這種情況下,運算層(邊緣或模糊等級)將用作控制流程和雲端服務之間的介面。該層可以在與雲端進行通信之前,進行處理數據。
實現邊緣和霧端運算節點需要執行三個操作:
.連接和通信服務:所有設備必須在同一網路中,並且可以互操作。所有感測器和執行器都可用於開發服務。此活動的一個示例,是在 Internet 上遠端讀取建築物的電源參數、環境條件和開放的天氣預報數據。此活動中應實現其他功能,例如連接的安全性、可靠性和互操作性。
.嵌入式設備(邊緣運算層)中的控制算法和數據處理:在此活動中,這些設備中實現的基本控制規則和數據分析服務,可以開發新功能。此階段可以應用於數據過濾、運算氣候數據或分析功耗、直接反應控製,或使用模式辨識技術檢測事件。
.Gateway 節點(霧運算層)上的高階服務:此等級使用和管理 AI 範例,和 IoT 通信協議。霧運算節點對數據執行智慧分析,對其進行儲存,過濾並將其傳遞到不同等級,以糾正較低級別的新控制措施,或者生成雲端中服務感興趣的資訊。此階段的應用示例,包括分析新模式、預測用水量,或功耗、智慧檢測和其他預測服務。
3.3. 測試與回饋
在測試階段使用標準方法,邊緣和霧層提供不同的功能。提出了針對不同子系統的機器學習模式,並且可以將其安裝在邊緣或霧節點上。必須執行以下操作,來測試機器學習應用:
A. 定義和捕獲數據集:必須辨識、捕獲和儲存主要變量。在不同的建築子系統中,過程數據集是由連接到邊緣層的感測器捕獲的數據。使用通信協議監控和儲存數據集。一個案例是電表,該電表在配電盤中連接到嵌入式設備(邊緣節點),該嵌入式設備傳送電力數據,以在霧節點設備中儲存和處理。
B. 訓練數據集和形式辨識模式。先前數據集的一個子集,用於訓練不同的模式。評估針對從未用於訓練的數據測試模式,此過程的結果已由專家使用者驗證。目的是獲得一組代表性的結果,以了解模式在現實世界中的表現。
C. 實際場景中的驗證:必須在邊緣和霧節點上,實施新的服務和控制算法。這些模式具有用於分析數據,實施特定模式,並使用結果開發最佳參數的算法。在此階段,可以修改或進行改善模式。
D. 用統計術語和模式演變,得出測試結果:基於 AI 算法的模式而將產生近似值,而不是精確的結果。分析應用結果以確定置信度,並允許模式演化。該活動支持開發新的 AI 服務,或對已實現的算法進行修改。有監督的自動更改,是維護和改進系統的過程。此階段的過程,包括所有模式層。
建議對使用邊緣和霧,任何的安裝進行這些活動。如前所述,該模式既可以安裝在既有舊的建築物中,也可以安裝在新建築物中。對於新建築設計,基於建議模式的安裝更易於整合。此外,可以提供的服務的潛力,也使其對於既有建築物具有吸引力。
4.在建築子系統中,實施智慧服務
該模式在預先存在的住宅建築物上,進行了測試。設計和實施電源管理、管制和監控服務。物聯網協議(MQTT 和 HTTP)和 ML 範例,用於建議的層體系結構。基於 KNN 的機器學習方法,和樹決策算法用於管理功耗(家用電器),和可再生能源發電(風能和太陽能)。使用房屋中的霧節點,在雲端平台上實現監控和統計數據。該節點連接到控制可再生,和家用電器子系統的不同邊緣節點。
在圖 6 中,邊緣節點,整合在先前安裝的可再生子系統中。透過邊緣層上的這種新設備、電源管理、安全控制和操作流程得以整合,並且可以與其他子系統互操作。可以設計新的智慧服務。邊緣節點將數據傳輸到霧節點 Gateway,該 Gateway 管理功耗和發電,並控製家用電器。該節點中的輸入,是可再生能源發電的數據。輸出控件是 ON-OFF 開關,用於優化發電、安全性和操作。
4.1. 分析與設計
分析了住宅建築,以設計電源管理,安全和控制服務。 在第一種方法中,所需的主要事物(對象),它們之間的關係和不同的服務,如表 2 所示。
4.2. 執行
分析房屋中的建築子系統,以整合這個執行模式層:邊緣控制、霧服務,與雲端的通信和雲端服務。 選擇了本實驗工作中使用的感測器、執行器和控制過程(事物)。 表 3 列出了使用的嵌入式設備。
家庭服務中的控制過程,需要反應時間和互操作性。人機介面、數據存取訪問和分析服務,是本地和雲端運算上的服務。上面提到的兩個需求,都使用不同的協議處理:控制/通信上的 MQTT,和雲端服務上的 HTTP(RESTful API)是用於整合,並使所有子系統互操作的 IoT 協議。在提出的該層模式中,還使用 MQTT 協議、控制、數據處理,以及使用 RESTful 協議,到雲端的數據通信,來開發機器對機器(M2M)應用。
MQTT 使用開放的消息協議,該協議可以將遙測樣式的數據(即在遠端位置收集的測量結果),以消息的形式,從設備和感測器,沿著不可靠或受約束的網路傳輸,到伺服器(BROKER)。消息是簡單、緊湊的二進制數據包,有效載荷(壓縮的標頭,比超連結傳輸協議(HTTP)少得多的詳細資訊),並且非常適合推送簡單的消息傳遞方案,例如溫度更新或移動通知。例如,消息也可以很好地用於,將受約束的或更小的設備,和感測器連接到 Web 服務。
MQTT 通信協議,使所有對象可以互操作。透過此協議實現的發布者和訂閱者模式,可以互連所有設備和事物。該通信層由安裝在霧節點上的代理設備管理。不同的發布者和訂閱者,在不同的節點上實現。安裝了一個 Gateway 設備(霧節點)和兩個嵌入式控制器(邊緣節點),來控製家用電器和電源管理。事物和流程佈署在所有節點上。
邊緣節點控制子系統,霧節點根據決策樹,以及專家定義的規則,實現 AI 範例。霧設備將數據傳輸到雲端平台,以開發儀表板螢幕,來監看子系統的狀態。
可以開發新的雲端平台服務:事件檢測、機器學習處理、統計分析等。專家使用者設計基本的控制算法。在學習和訓練過程之後,將根據專家系統的結果,對這些算法進行調整和修改。在這項工作中,目標是在不損失生產力的情況下優化資源(控制和能源)。在邊緣或霧節點中,執行不同的控製過程;分類過程和決策樹在霧節點中實現。算法以 Python 語言實現。此語言的開源庫用於不同的應用。
4.3. 佈署與測試
對於現有建築物,邊緣節點交錯插入已安裝的控制器、配電板,以及感測器和執行器中。如果在分析階段指定了新的東西(電錶、氣候和控制器),則會安裝一些新的感測器/執行器。這項工作中佈署的邊緣節點具有以下優點:
.請勿干擾先前的安裝操作。
.他們使用新的專家規則和自動規則,引入新控件。
.他們測試和重新配置,在分析、學習和測試驗證中,設計更新的專家規則。
圖 7. 佈署在配電盤中的節點。 使用 IoT 協議通信,在不同節點中開發數據捕獲、控制算法、數據分析、儲存和通信服務
在電力管理過程中,專家使用者根據電力消耗、發電量、消耗負荷曲線、氣候數據和氣候預測數據,對具有選定流程的時間表,進行可程式處理。邊緣節點捕獲數據,並將其發送到霧節點。
霧節點處理室內和室外環境的日記數據,以及天氣狀況。霧節點還可以捕獲其他感測器數據。對房屋中的這些數據消耗和生成方式,進行檢測和分類。消費和發電結果,作為數據添加,以便與儲存的數據一起進行分析。可以使用機器學習方法開發,作為家用電器或人類活動檢測的智慧服務(圖8)。
4.3.1. 機器學習:數據捕獲過程(邊緣節點)和家用電器分類(霧節點)
連接在主配電盤中的電表,用於捕獲數據,並使用標準的 K 近似值,最近鄰(KNN)分類算法,來開發形式辨識模式。 KNN 是機器學習系統中最常見的方法之一。電表捕獲電流;如果連接了新的家用電器,則電流數據會更改。不同的家用電器具有不同的變化等級。
用於辨識家用電器的不同模式的主要變量,是連接時的電流水準差異。數據捕獲過程流程圖(圖9),顯示了在邊緣節點中實現的算法,以捕獲預處理並傳遞電力數據。
在此過程中,監督階段使用訓練數據集。接下來,真實場景中的驗證,將測試分類模式。家用分類設備將用於不同的服務:人類活動的辨識、負載控制、可再生能源管理、空調、安全性等。在訓練階段,已捕獲了不同的家用電器開機,以獲得一組形式。每個家庭都有一個矩心向量,將用於分類過程中的檢測。如上面所示的算法所示,分類器處理將產生連接時的電流數據作為輸入。KNN 分類過程流程圖(圖10)描述了 KNN 方法,它在霧節點中實現。
4.3.2. 可再生電源管理。控制電力自耗的決策樹
每個建築物都有不同的需求曲線,以及在接入電網方面的特定情況。為此,整合和可互操作的設施,可以實施適用於每種情況的不同解決方案,從而提供對太陽風資源的最佳管理,優化電源效率,簡化管理流程,並實現最高的成本節省。當可再生能源超過消耗的能源時,在使用 AC 耦合到電網的設施中,會出現問題。
在實驗工作中,太陽能在一天的中央時段的能量,大於所消耗的能量(圖11)。但是,在分析了消耗曲線之後,可以在這段時間內連接負載,以避免注入電網。可以透過設計一種算法,來滿足這一要求,該算法可以預測,何時發生此事件,以自動連接不同的負載。利用所有感測器和執行器的整合,和互操作通信,已經開發了在不同節點中,所實現的算法(圖12)。
13. 在電源管理子系統上開發的決策樹。 它由專業使用者設計,並整合在邊緣節點上。該決策樹的目的,在優化可再生能源的使用。
4.3.3. 基於 Edge 和 Fog 節點的 Control Home
圖 14 顯示了安裝在住宅房間中的邊緣節點。 該節點可以控制四個設備(設備),並捕獲感測器數據(功耗、發電量、溫度、濕度等)。該設備可以使用 MQTT 協議進行通信。該協議允許設備之間,進行其他類型的通信:智慧手機、新邊緣節點等。圖 7 和圖 14 顯示了可以在其他建築物中,佈署的標準實現。在所有系統中,都有配電板,這些配電盤佈署了霧節點和邊緣節點,如圖所示。
4.3.4. 使用物聯網協議的雲端服務
雲端服務可以監控,透過霧節點或人機介面(HMI)訪問的數據。 IoT 協議(MQTT)從任何已連接 Internet 的設備推送數據。事件檢測、儲存統計分析等其他服務,完善了該資源的功能。提供類似服務的不同平台,顯示了商用物聯網技術的狀態:Amazon IoT、Microsoft Azure、Ubidots 和 Thingspeak,是提供 IoT 平台的公司一些案例。提供了資源以及客戶端,和 IoT 平台之間的應用程式介面(API)通信,以便可以使用它們。
用於設計儀表板監控和管制的 HMI 資源,是這些平台上的主要實用功能之一。霧節點使用雲端 API 傳達數據和資訊,可以實施其他控制服務。在這些雲端平台上,預先建構了用於監控數據的儀表板設計。使用 API 實用功能,霧節點中的過程處理,會將數據發送到每個儀表板。API 文件指定了在設備、IoT 平台和 Mobile-Alerts Cloud 之間,交換數據的結構,以及用於加速項目的代碼案例和形成資料庫。
圖 15 顯示了在 Ubidots 雲平台上,設計的儀表板。Ubidots是本實驗工作中使用的物聯網平台。該模式可以在實現這些協議的層,和平台中使用不同的標準協議。圖 16 顯示了在雲端平台中,IF 變量 THEN 動作的事件配置。大多數物聯網平台,都提供此功能。
5. 結論
為了設計物聯網系統,越來越多地提出邊緣霧模式。但是,每個範例都提供特定應用領域的解決方案。不同子系統之間的整合和互操作性,可以改善這種情況,並提供更好的服務。這項工作的主要目的,是透過提出一種基於邊緣層和霧層,兩層體系結構的運算模式,來解決這個問題。透過這兩層,可以基於使用邊緣或霧節點中,嵌入式的設備捕獲數據所產生的新型有用資訊,來設計和開發新服務。這些節點使用雲端平台和 IoT 協議(例如 MQTT)。
MQTT 是作為不同層(霧 – 邊緣 – 雲)之間提出的通信協議,並進行實驗的。雲端平台用於開發儀表板的面板資訊和 Internet 上的新服務,例如控制、儲存和通信事件。該平台可用於透過 API,交付不同的服務。
該模式可以在現有建築物和新建築物中,開發這些服務。在這種情況下,要求每個子系統中的專家和專業人員,參與新服務的設計。
為了測試該模式的功能,並顯示如何在實際設施中,實現該模式,在住宅中進行了一項實驗性工作。在此霧和邊緣節點前後關聯中,描述了實現的幾個範例。開發了模式辨識和決策樹方法,以展示人工智慧在設計 IoT 解決方案中的潛力。已安裝服務的結果顯示,邊緣和霧節點佈署,產生了預期中整合和互操作性的好處。
提出的工作演示了,如何將邊緣和霧範例,整合到可以增強其優勢的新架構中,從而擴展了應用領域。該體系結構的主要科學貢獻,是整合、技術的互操作性,及其為開發 AI 服務提供的設施的範例。所有這些改進,都在已開發的實驗的不同示例中顯示。具體的優化和改進,將在以後的工作中進行。此外,使用機器學習平台,和 AI 範例的新控制規則,將確保可以創建和改進新的智慧服務。
附圖:圖1.自動建構子系統和資訊技術環境。
圖2.基於使用者為中心關係的模式。
圖3.通信架構。 每個等級都有不同的功能。 提出了兩個通信等級:IoT(使用消息隊列遙測傳輸(MQTT))和 Web(使用代表性狀態傳輸(REST)協議)。這些協議的層,涵蓋了已建立的整合和互操作性要求。
圖4. 在建築物的現有設施上實施的邊緣霧架構示例:邊緣節點是較低的層次,必須與安裝的設備進行新連接。互連所有子系統的霧節點,是透過整合連接到邊緣節點的新設備來實現的。邊緣和霧節點,可以佈署在所有建築物子系統中。
圖5. 住宅建築中的第一個實驗工作。
圖6. 整合在先前安裝的可再生子系統中,邊緣節點的示例。 該節點可以使用新算法控制 ON-OFF 開關,以管理發電過程,以及通信和監控電源數據。
表1.事物示例描述。寫入 ID、類型和節點數據,以配置 XML 文件。配置關聯性儲存在霧節點中。
表 2. 實驗工作中的分析和設計要求。
表 3. 實驗室內使用的嵌入式設備。
圖 7 顯示了分佈在配電板上的節點(邊緣和霧狀)。在此節點中,設計並安裝了功率計、ON-OFF 開關控件和 AI 服務。
圖 8. 佈署的智慧電源功能。在霧節點中實施的分類過程,可用於檢測電連接和人類活動。可以使用 IoT 通信實現其他服務
圖9. 邊緣節點中捕獲,並預處理的用電量數據;MQTT 協議用於通信數據。另外,其他節點可以使用捕獲的數據,來提供其他智慧服務,佈署了整合和互操作性。
圖10. 分類過程。處理捕獲的電數據以檢測家用電器連接。可以使用 IoT 協議整合,來設計其他智慧服務。
圖11. 該圖顯示了實驗工作中的消耗和生產數據。 在自儲存的電力自備設施中,沒有儲存並且沒有注入電網,所產生的能量必須即時使用,並且不得超過所消耗的能量。 能源經理必須預測此事件,並提前連接電荷。
圖 12. 用電自耗設施中的可再生電源管理。
圖 13 是在電源管理子系統中,開發的算法的示例。 可以在邊緣節點上安裝此過程。該節點獲取氣候數據預測,並預測系統是否可以在不儲存的情況下,使用可再生能源。
圖14. 佈署的邊緣節點。該節點可以使用新算法,控制 ON-OFF 開關,並可以在每個房間或建築物中,通信和監控感測器數據。
圖 15. 在雲平台上配置的儀表板。顯示了風力發電數據和預測風力。
圖 16. 在雲端平台上配置事件的儀表板:IF 事件 THEN 動作。 該服務顯示了,如何使用雲端訪問來控制設施。與霧節點的 Internet 通信,可以控制建築物中的不同子系統,並使用電子郵件,SMS 或其他 Internet 服務來通報事件。
資料來源:https://3smarket-info.blogspot.com/2021/02/iot-edge.html?m=1&fbclid=IwAR0uijX5WdNrfzmGjVsakFGaEsWivPgyH1zumxVr7fwvvgqtdFFTI6jJXS8
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#物聯網IoT #無線充電 #無線充電聯盟WPC #AirFuel #智慧功率模組IPM #近場通訊NFC #WLC
【WPC、AirFuel 相互取經,NFC WLC 跨足無線充電】
已存在一段時間的無線充電,最近因為蘋果 (Apple) iPhone SE2、OnePlus 8 Pro 手機及真無線耳機 (TWS) 的走紅再度躍上版面。Reportlinker.com 預測,2020~2026 年全球無線充電市場規模將達 256 億美元,預測期內年複合成長率 (CAGR) 為 28.4%,可概分為「共振式」(Resonance,鬆散耦合) 和「感應式」(Induction,緊密耦合) 兩大主流。
前者以 AirFuel 聯盟為首,可穿透數公分的厚實桌面在指定充電範圍內提供多個裝置同時垂直充電,且擺放方式較不受限,惟 6.78MHz 高頻操作,傳輸效率低、易有過熱及干擾問題,亟需氮化鎵 (GaN) 及電源管理演算法 (PMA) 加持,加上無線通訊功能獨立於功率模組之故,製作成本高;後者以無線充電聯盟 (WPC) 為宗,具有低成本、高效率利基,易於大量商品化,缺點是需將兩端線圈對齊才能工作,內嵌磁鐵有助於位置擺放的對齊和定位。
WPC Qi 已在市場搶得先機,基於安全和干擾考量,「異物偵測」(FOD) 是另一關注重點。事實上,共振、感應在技術上互有長短,兩大陣營也從一開始較勁意味濃厚、轉趨握手言和;值得留意的是,無線充電與 NFC (近場通訊) 的共存一度曾是 WPC 與 AirFuel 相互攻防焦點之一,如今,NFC 論壇本身也自訂無線充電標準「WLC」(Wireless Charging) 作為補充技術——利用 NFC 智慧手機的線圈作為發射器,為無線耳機或穿戴裝置做「反向充電」;而為讓 Qi+NFC 協作順暢,量測儀器廠商也已準備好了!
延伸閱讀:
《從旗艦到標配,無線充電欣欣向榮》
http://compotechasia.com/a/feature/2020/0608/44928.html
#索尼Sony #三星電子Samsung #德州儀器TI #高通Qualcomm #意法半導體ST #安森美ON #瑞薩電子Renesas #IDT #羅姆半導體ROHM #Micropross #NI #MP300CL3 #MP500TCL3
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【靠核能在太空駐足】
#太空的時代沒有非核家園 #小英新產業可參考
蔡總統於就職演說定調台灣未來六大產業方向,其中包含進軍航太產業(雖然我不知道進軍哪個部分啦)。但正好,NASA最近要帶你看看甚麼叫太空時代的動力裝置, 蔡英文 Tsai Ing-wen 總統 賴清德 副總統不妨藉機切入!
▋阿提米斯計畫
NASA目標是到2024年將人類任務送上月球,這項名為月神Artemis的計畫,包括太空發射系統火箭,獵戶座太空船,地面探索系統以及研發。NASA估計,要使機組人員登上月球表面,包括第一個踏上月球的女性,將耗資350億美元。2024年後,NASA希望每年開展一次人類飛行任務,並在2028年之前實現月球探勘的永續作業。
而月神計畫也將提供至關重要的經驗,為未來登陸火星之旅鋪路。其中,一項重大工作將涉及弄清何種電力系統(包括從未在月球表面進行過測試的電力系統,例如核電)將最能支持未來的駐點。工程師在權衡其選擇權時必須回答的核心問題是,是否可以將必要的材料安全地送上月球,以及諸如核分裂之類的系統能否在如此惡劣條件下可靠運行。
每種電源都有各自的優缺點要考慮。數十年來,太陽能電池組已經可靠地在太空中提供了再生能源,但在從未獲得任何照明的地方(如月球上資源豐富的隕石坑)太陽能就毫無用處,在火星多風,多塵的表面上,太陽能電池板也難以收集足夠的光,使其成為為生命維持系統供電的危險選擇,電池和燃料電池目前的壽命有限,充其量只能使用輔助電源...
▋核動力的太空運用
一種為太空梭提供動力的核裝置是放射性同位素熱電產生器TGR,其依靠鈽238的衰變產生的熱量運行。自1960年代以來,這些發電機就已在火星探測器上使用,並將空間探測器發送到太陽系的外緣,例如旅行者號飛船和卡西尼號。儘管是科學任務的主力軍,但提供的數百瓦功率,僅足以將無線電信號發送回地球或為相機供電。
而地球最普遍的核能取得途徑還是核分裂技術,由於質能轉換的優勢,它將能持續數年在小空間提供連續、可靠的動力源。1960年代,許多科學家認為,用於太空的核分裂反應爐將緊隨放射性同位素發生器之後。1965年,美國發射了一顆名為SNAP-10A的小型核分裂衛星,但由於電氣問題,它在發射後僅43天就失敗了,成為一塊太空垃圾。在接下來的20年中,蘇聯則發射了31枚類似衛星。
在那之後,由於設計問題和預算激增,用於太空的新型核反應爐開發在停滯了。工程師們希望立即從這些系統獲得先進的性能,從而導致複雜而昂貴的設計,太空用反應爐設計開始不受歡迎,直到NASA Glenn Research Center和美國能源部開始著手一項名為Kilopower的聯合計畫,目標是為太空開發一種新的核反應動力系統,該系統能夠產生約10 kW的電能。
▋Kilopower
只要四個類似的反應爐,就能輕易提供40kW的功率,以供六名機組人員在火星上生活所需。Kilowpower的模組化與密合型設計,大幅減少重量,以往核反應爐系統設計為12-14公噸 (6-7噸反應爐加備用),而單個Kilopower反應爐的重量僅為1.5噸,成了它能夠上太空的關鍵。
燃料爐芯大約相當於紙巾卷的大小,僅重28公斤,由約8%的鉬和92%的高濃縮鈾組成。核材料被氧化鈹反射器包圍,該反射器將中子反彈到堆芯中以驅動裂變反應。放在鐵心內部的是一根純碳化硼棒,它吸收中子,從而調節核反應功率。緩慢移開碳化硼棒後,中子開始撞擊鈾原子,開始連鎖反應。裂變產生的熱量通過充滿鈉的熱管傳遞到一組史特林引擎,透過活塞驅動,將熱量轉化為電能。最後,反應爐還包括一個散熱器,用於消除多餘的熱量,將其散發到太空中。
目前反應爐開發在經過多項測試與實驗後,已經證明可以順利發電,且維持5KW的輸出後順利關閉,待更多優化後,持續推進至10Kw的目標。
▋核子保防與輻射安全
當然,鑑於鈾的潛在危害人類以及其作為核武器材料的風險,有些人對高濃縮的鈾燃料持懷疑態度。但將鈾運到月球並與反應堆並排工作是安全的,鈾發出的弱α粒子無法穿透紙或皮膚,爐芯周圍的屏蔽層也將防止太空人受到任何輻射(宇宙射線可能更強)。而將反應爐廢料也將被屏蔽並單獨放置。
對於這種系統,最壞的情況是整個反應爐於於火箭發射中炸毀,但霧化和分散的鈾顆粒對一公里內的人所造成的劑量也僅背景輻射千分之一,比乘坐飛機飛行時從太陽輻射中獲得的劑量還少。
當然,核分裂反應爐的未來將不僅取決於技術上的成功,還取決於足夠的資金,國會的支持剛好補足這缺口。反應爐的使用除了通過尚未確定的更多安全性和可靠性測試外,還需要「飛行合格」,這意味著它必須能夠承受發射時承受的重力和月球上看到的極端溫度的影響。
期待我們近期能盡快看到近一步測試成果。
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國際間已經在計畫用核能系統搭載潛艦或太空電力系統時,我們原能會主委謝曉星認為沒有核電後的核能人才卻只能去做除役,Are you blind ? 小英 ~ 你看看,你要打造的太空產業,Nuclear Can Help ~
畢竟「太空的時代,沒有非核家園」
▋參考資料
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.0c00382
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朋友啊!電子鎖日新月異,
加上這幾年越來越多新款式和新品牌進台灣,
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定價45000元是最大特色,
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YALE 7116A ||中文名稱:耶魯
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X9+PLUS 最大特色就是內建遠端聯網, 可用App控制和產生與網路銀行相同之高規格的一次性動態密碼、緊急回報和區間性密碼,同價位之間沒有對手,價格親民高CP值, USB供電開鎖,OTP動態密碼, 半自動鎖夾沒電依然可以上鎖,最新半導體指紋辨識, 指紋+密碼+卡片+鑰匙+遠端聯網 功能組合:5合1, 唯一管理者模式可以開反鎖,
半自動模式(沒電依然可以上鎖)
歐規鎖匣型 適用家居大門、重型大門
虛位元密碼(總長不超過32位)
鑰匙開鎖機制(超B級鎖心)
可用MicroUSB 行動電源充電
管理者模式 (管理程序和開反鎖)
卡片可登入99張 管理者模式
七層電鍍 十年如新
分級制內鎖安紐設定
半導體FPC指紋辨識模組開門只需要0.3秒
安全旋鈕 防盜開設計
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密碼開門方式,4~12位數字。
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特殊設計減少滅靜電,提高指紋辨識效益。
內鎖睡眠安全機制,只能使用機械鑰匙進入。
節能省電模式,約可支援3600次/年開門次數。
入侵/破壞/高溫 警報功能:發出80分貝警報聲響。
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韓國上市公司,智慧安防市占率80%
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梯形防震鎖舌
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100%防盜設計
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#歐洲百年品牌 : #Yale耶魯7116A升級版
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密碼4-10 位數字 / 100組
卡片達 100 張
電源1.5V 鹼性 AA電池 4 顆
備用緊急開啟方式,9V 緊急後備電源啟動電源
備用機械鑰匙2 把
顏色:古銅金色、霧面黑色
正面:68(W) × 340(H) × 40.18(D)
背面:72(W) × 344(H) × 36(D)
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#德國百年品牌 : #Dormakaba DP-850
出名的原因是COSTCO有上架過, Dormakaba是來自德國百年品牌, 看慣了SAMSUNG系列,看這怪怪的~哈哈!
屬於上推拉鎖,可用手機App產生一次性密碼,但並非遠端控制,應急電源功能(TYPE-C接口及9V方形電池接口)
百年品牌,德國工藝
支援卡片100張,指紋100枚,密碼4組,手機藍牙,機械鑰匙
全程語音操作提示
內建無線遠端金鑰密碼分享功能
具雙重認證開啟功能(卡加密碼)
防止高頻高磁技術性開啟
防止高電壓破壞系統
按壓式半導體指紋讀頭,辨識速度小於0.5秒
緊急電源接電功(支援TYPE-C接頭及9v鹼性電池)
含免費到府安裝,可撥打服務專線預約安裝
無需調方向的推拉門鎖,内外開全適用
全自動馬達鎖體, 提升安保
支持指纹,卡片,密碼,機械鑰匙,藍牙或遙控器(選配)開門
藍牙官方安全認證
高清白光数字键盤
全程語音提示
一握開啟,超级便捷
防止高電壓系统破壞開門
高温報警功能
音量等级設置以及可選静音功能
應急電源功能(TYPE-C接口及9V方形電池接口)
自有加密系统,防止竊賊闖入
機械鑰匙開啟功能
卡片 ◆指紋 ◆密碼 ◆機械鑰匙 ◆藍牙 ◆無線遠端金鑰密碼六合一
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全台電子鎖聯合體驗中心地址
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不只外在美,還有內在更美 文:Lee388
STST 《Motus II DQ》懸浮直驅式黑膠唱盤
不知道大家起初接觸黑膠唱盤這個玩意時,會不會被很多名詞嚇怕,使到大家望而生畏,我記得當年我初嘗黑膠時,並沒有互聯網,初學調校黑膠唱盤沒有前輩教路,我是從圖書館借一些相關書籍和看音響雜誌來學習黑膠的調校細節,了解各式各樣名詞,從中知道怎樣安裝黑膠唱盤,我就是這樣開始進入“黑社會”行列。相對起今天上網找資料和看影片,要獲得調校黑膠唱盤的知識可謂容易得多,不過有時網上資訊太多,亦不是全部正確,不像書本和雜誌始終經過校對才出版,所以大家想玩好黑膠還是親身接觸,落手落腳調校來得實在。
提到黑膠唱盤相關名詞,我和大家先分享以下這些:
硬盤:當然這個不是電腦上的儲存資料的硬盤(hard disk),這是指黑膠唱盤沒有任何懸掛,是用轉盤本身的重量來對抗外來的振動,這類設計的唱盤一般稱為硬盤。
軟盤:在黑膠唱盤發展初期,軟盤是比硬盤早發展,軟盤是指唱盤的摩打、轉盤和唱臂承托部份是有懸掛結構承起,目的是阻隔外來的振動,而這些懸掛結構就包括彈弓、橡筋等物料。
帶動:驅動摩打經皮帶帶動轉盤轉動。至於這個皮帶,不同廠家會用不同物料。
直驅:這是指帶動轉盤的摩打是直接驅動轉盤轉動,摩打往往就是轉盤軸承的一部份。
世界首個直驅軟盤
為何要在這篇試聽報告之前大費周章與讀者們溫故知新?因為今次為大家介紹這個來自德國的STST Motus II DQ黑膠唱盤,它的設計是相當獨特,這是一個直驅軟盤(懸掛式)。可能大家會問這個設計有何特別?不也是上面提到這些設計嗎?大家沒有錯,這個Motus II DQ黑膠唱盤表面上也是傳統方式設計,不過當大家再細想一下,我們一般認識的黑膠唱盤當中,是沒有一個以直驅轉盤來結合軟盤設計的(如果讀者們知道有這樣設計的黑膠唱盤,請告知小弟),通常直驅唱盤大都採用硬盤式設計,這個就是Motus II DQ黑膠唱盤的最大特色,直驅軟盤可能是世界首個!
在未開始介紹Motus II DQ黑膠唱盤前,我先簡單介紹這家來自德國的STST廠家,這家公司的創辦人和設計師是Mr. Stefan Strohmetz,而公司的名稱STST就是取自他的姓氏和名字的頭兩個字母,原來Mr. Stefan Strohmetz年青時已經醉心研究黑膠唱盤,並於1985年創立STST這家公司,而且開始設計及製造黑膠唱盤、唱臂等黑膠相關的產品。
如果大家只憑肉眼去看這個STST Motus II DQ黑膠唱盤的外觀只是上圓下方的傳統黑膠唱盤,而廠方可提供不同木紋的唱盤外框給買家選擇,可是當用手輕按轉盤時,會發覺轉盤在上下晃動,原來轉盤與臂板是懸浮設計,當然這個也沒有什麼特別,一般軟盤也是這樣,不過當把Motus II DQ的外框拆開,這時看到一個非比尋常的內部結構,坦白說當我首次看到時,我也嚇了一跳,真的從未見過一個黑膠唱盤內面會這樣複雜。
開始試聽
這次試聽這個STST Motus II DQ黑膠唱盤是在寒舍進行,唱盤是放在CMS Black Diamond承板上,配合的唱臂和唱頭是我的參考組合,這包括Thales Simplicity II唱臂和Lyra Atlas動圈唱頭,唱頭放大是Burmester 808MKV前級內的MC II模組咭,經Burmester 808MKV前級以Burmester平衡線接到Burmester 909MKV後級,再以Burmester Silver喇叭線接到TIDAL Contriva G2揚聲器,而近期在Contriva G2每邊其中一隻釘腳上接了一條ASI Static Cable,據講這條線有導走振動的作用,接了之後發覺聽多了揚聲器發出的細節,今次試聽這個Motus II DQ黑膠唱盤正好表現出這個唱盤的寧靜度。
疑問重重
試聽這個Motus II DQ黑膠唱盤前是充滿著疑問,一般說法直驅唱盤不及帶動唱盤寧靜,不過根據廠方的資料,Motus II DQ唱盤內的摩打溢散出來的抖動能量只有0.5 Watt,比起傳統帶動唱盤的5 Watt低了10倍,所以產生出來的噪音和抖動會比帶動唱盤更低。還有我也試聽過不少帶動唱盤,很多時噪音和音染的來源就是來自帶動的皮帶,到底這個直驅唱盤是不是完全可以克服以上問題?另外一個疑問是Motus II DQ唱盤採用軟盤設計,傳統說法軟盤是偏向音色的取向,還有當調校好後,經過一段時間就需要再調校,不過據STST廠方說法,就以上問題Motus II DQ唱盤採用一些嶄新的方法來處理軟盤,首先軟盤經過一段時間使用就需要調校,最主要原因是三個受力的彈弓承托的力量不均,所以經過了一段時間後這三個彈弓就自然各自有不同的變化,而Motus II DQ唱盤就是採用砝碼來平衡唱臂這邊比較重和受力的問題,使到各個彈弓平衡受力,還有所採用的彈弓不是傳統的彈簧,是廠方特製品來避免以上問題。最後的疑問,直驅與軟盤結合,這是我從未接觸過,是不是如理想中兩種設計的好處也發揮出來,還是各自的缺點反而表現出來?既然是這麼多疑問,單憑外表也不能知道,最好就是親手試聽來取得結果。
寧靜度超級優異
在寒舍開聲的STST Motus II DQ黑膠唱盤,第一個給予我的聽感是相當寧靜,當唱針落在唱片上沒有音樂的位置時,在揚聲器好像完全聽不到有半點聲音,正常是有一點點底噪,就是因為這樣,我有好幾次落下唱針後也不奇然要看看唱針確認是否已經落在黑膠上,這是我試聽過所有帶動唱盤從來沒有的經驗,有這樣的優勢,音樂播放時自然更能播出音樂中最細微的細節,使我有點好像聽CD的感覺,大家不要誤會這個不是貶義,我想表達是這種寧靜度和安定感真的有如聽CD一樣,有以上的感覺,我相信是直驅盤免卻了皮帶,還有以浮盤設計來抵消外來振動有關。經STST Motus II DQ唱盤播放不同種類的音樂,我發覺這個唱盤沒有特定的音色取向,這是偏向中性,盡量還原出唱片上記載著的音樂和情感,Motus II DQ沒有外加任何渲染。至於低頻的表現絕對聯想不到這是軟盤設計,低頻是充滿量感和細節,下潛力強,比起同級硬盤也絕不示弱,還有當播放大爆棚音樂這種規模感,絕對估不到是這等大細的唱盤可以做得到。另一樣優點是播放管弦樂的深度和闊度也相當理想,我估計這個與軟盤設計有關,聲音是相對寬鬆一點,而且來得穩定。
就以其中幾張用來試聽的黑膠來表達出以上聽感。先來超強的寧靜度,這張Ida Haendel《A Classical Recital》最能表現出來,Ida Haendel的拉奏力量可剛可柔,強弱之間的對比是最考驗器材,好多情況下強音是容易播得好,弱音是來得不易,而這個STST Motus II DQ唱盤播放這張黑膠是給我從未如此興奮,聽多了很多從前未聽過的小提琴輕微抖動的細節,小提琴泛音豐富,營造出一個非常立體的空間感,聽到小提琴發聲位置牢固地釘在空間中,與伴奏的鋼琴一高一低,比例適中,而鋼琴琴音清晰之外,這種琴腔衍生出來的低頻,給予我很少能在黑膠上感受得到這種穩定的感覺。
中性還原
Amanda McBroom的《Dreaming》黑膠可謂女聲名盤,一般聽到這張黑膠內Amanda的歌聲都是婉美、溫柔,這次經Motus II DQ唱盤播放下,使我有種不一樣的感覺,伴奏音樂同樣細緻、鮮明,不過Amanda的歌聲就如唱片封面她所穿著的絲質外套一樣,表面是滑不溜手,不過細看之下原來是暗藏皺褶。就像她的歌聲表面是甜美溫柔,不過Motus II DQ唱盤帶我進入一個更深的層次,可以聽到歌聲帶點沙啞,表現出更為細膩和深切的情感,可能大家熟悉這張唱片的發燒友未必知道我所表達的含義,這個我也明白,因為未用Motus II DQ唱盤聽這張黑膠之前,我也未曾有以上的聽感,我知道Motus II DQ唱盤不帶任何音色上的修飾,這是完全表露出黑膠內蘊含的情感,所以才可以有這樣不同的體會。
低頻表現力超乎預期
另一個疑問是浮盤一向是低頻相對較弱,所以找來這張《Adagio Albinoni》45轉黑膠來試試Motus II DQ,這是Gary Karr負責低音大提玩,Harmon Lewis負責管風琴,收錄了兩件低頻至超低頻同樣凌厲的樂器,這張黑膠我稱為踢館碟,如果帶去家訪,機主隨時會面黑黑望住你。看看Motus II DQ唱盤可否通過這個低頻考驗,坦白說浮盤播低頻,我之前聽過不少,可以達到那一個程度早已心中有數,所以也不會有太大期望能與重型硬盤相提並論,可是今次聽到播放這張《Adagio Albinoni》出來的效果比我預期有過之而無不及,兩樣樂器同樣清晰分明,低頻毫無混濁,可聽到低音大提琴嗡嗡的低頻滾動下仍可聽到拉弦的線條,管風琴的低頻震至褲管打振,亦可清楚分辦出的管風琴的位置比低音大提琴後,還有就算播至天崩地裂的音量,也沒有半分凌亂的感覺,不知這個是否與浮盤設計有關,聽到這樣宏亮,規模感豐富,還有迫力強橫的聲音,Motus II DQ唱盤處理低頻的能力高分過關,我找不到有任何可挑剔的地方。
最後,聽聽這張羅文的《情繫佛羅內斯》45轉雙黑膠,這個錄音是向顧家煇和黃霑致敬,當年是羅文飛到佛羅內斯以管弦樂團伴奏下演繹兩位大師的金曲。播放這首《明星》至中段有一些Bass Drum輕力敲打下的聲音,這個是極難播得好的低頻暗勁,而STST Motus II DQ毫無保留地播放出來。《今晚夜》開始時羅文引頸高歌的清唱段落,清晰聽到音樂廳的迴響,非常有現場感。還有樂團各樣樂器從近而遠,從左至右營造出色彩燦爛的場面,羅文千變萬化的情感,頌放出氣韻醇厚的歌聲,好像把他畢生歌唱的功力就在這個錄音展露出來,今次聽這個Motus II DQ唱盤的發揮,完全沒有辜負羅文的一番心機。
結語
不知道閣下選擇黑膠唱盤要有什麼條件?如果是以威猛外型先行,又可能以聲音甜美,播任何錄音都一樣靚聲為先決選擇條件,或者又以可裝得愈多唱臂就愈好。要符合以上選擇黑膠唱盤的條件,我相信這個STST Motus II DQ黑膠唱盤未必合閣下杯茶。可是如果閣下是以播放聲音準確為先,要找一個可以靜心欣賞音樂,不要每天左調右校的玩具,這個來自德國的STST Motus II DQ黑膠唱盤必定列入閣下選單之中,還有當我詳細試聽過Motus II DQ唱盤的聲音表現,我相信同價位的唱盤中,以聲論價這是其中一個最突出的黑膠唱盤,所以我已經把這個STST Motus II DQ黑膠唱盤列入我的目標。
STST 《Motus II DQ》規格:
懸浮直驅式黑膠唱盤
提供18V外置式電源供應
轉速:33 1/3 和 45
耗電量:5 W
呎吋:48 x 22 x 40 cm (WxHxD)
重量:20 Kg
定價:HK$98,800
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#黑膠 #粵語youtuber #黑膠唱盤
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