透過感測器、M2M通訊技術與巨量資料分析軟體所實現的家用能源管理系統，由於可有效協助消費者控制用電，因而備受各界期待。目前日本、美國與英國等地，已有業者開始提供商用服務。
藉由機器對機器(M2M)技術，家用能源管理系統(Home Energy Management System, HEMS)不再只出現在電影裡的未來世界。只要安裝上智慧插座或感測器，就可以知道家中電器的用電量，幫助社會大眾簡單達到能源可視化，輕鬆進行用電控制與管理。
M2M指所有的機器可透過網路互相溝通，並進一步自動做出最適當的決策與行動。根據資策會產業情報中心(MIC)的預估，2016年全球M2M市場產值可達6,000億美元，2010年到2016年的複合成長率高達16%。Forrester Research更提出2020年M2M產值將可能達到目前網際網路相關產業產值的三十倍，如此龐大的應用商機，也使各國政府紛紛將M2M列入國家重要的產業發展計畫中。
M2M的應用非常廣泛，無論是企業的能源控管、物流車載、系統最佳化等，或公部門的社會安全監控、環境災害監控，再到與生活切身相關的家庭能源管理、居家安全監控等各類應用，都可透過M2M獲得更高的效益。
此外，近年來因應全球暖化及氣候變遷之環保議題，能源管理更顯重要，甚至出現避免能源無謂浪費即是創造「第五能源」的概念。目前公司廠辦等企業市場已有專業的能源服務公司(ESCO)，為廠商進行能源管理與節約能源，但家庭能源管理面，仍多停留在節能家電的開發與銷售，僅有少數廠商投入家庭場域的能源管理系統。
消費者對HEMS需求不容小覷
事實上，家庭對於能源管理並非沒有需求，依MIC於2012年4月的調查，家庭能源服務、家庭安全、家庭照護都是消費者未來期望採用的服務，其中，又以家庭能源服務期待性最高。目前台灣已採用家庭能源管理服務的用戶僅占10.8%，但未來期望使用家庭能源管理服務的用戶高達61.5%。國外Pike Research亦預估，全球獨立平台型HEMS的年出貨數，預計從2011年的二十五萬套，以38.3%的年平均複合成長率擴大至2020年接近四百七十萬套。而全球HEMS產業的總收益，亦會從2011年的9,300萬美元，達到2020年時超過20億美元規模，這也足以顯示數位聯網在家庭能源管理服務方面的應用正快速崛起。
HEMS分為三大類別
 |
| 圖1 家用能源管理平台定位 |
根據Cleantech Research的研究指出，HEMS依服務整合性高低、控制程度深淺及消費者支付成本的多寡，大約可分為智慧軟體分析平台服務、簡易控制設備及能源管理系統、智慧家庭整體解決方案等三大類別(圖1)，以下將一一介紹。
智慧軟體分析平台強調節能趣味性
此類廠商主要透過電廠和用戶的智慧電表結合，蒐集用戶用電相關資訊，經由非侵入式偵測的智慧化分析，由整體帳單及鄰里朋友的用電資訊分析找出節能模型，提供節能建議，優化傳統電費帳單，提升電力使用資訊的附加價值。另外，結合社群平台共同推廣，並與相關綠能產品或有機食品供應商合作，提供相關折價券，加強消費者對節能平台黏性及趣味度。此類廠商通常為免費提供消費者服務，所以在推廣方面，消費者接受度最高，其中，以美國的OPOWER為主要代表案例(圖2)。
 |
| 圖2 OPOWER服務說明 |
OPOWER先後與美國逾六十家電廠合作，致力於分析用戶的電費帳單，透過和鄰里相似家庭的比較，個人化的建議方案，鼓勵用戶節電。除了提供線上查詢平台外，更提供紙本用戶電費帳單，增加用戶的接觸機率。在申請帳戶初期，請用戶先提供郵遞區號、住家型態、房子坪數、冷暖氣類型等資訊，再配合電廠提供的用戶用電時間及用電量資料進行分析，並提供和鄰近相似家庭型態的住戶比較用電狀況，建議較省電的家庭節電作法，甚至與Facebook社群平台結合，期望以同儕壓力，建立起良性的節電競賽，加強節能平台的趣味性。
簡易控制設備及能源管理系統結合通訊技術
此類產品大多透過一個或多個感測器，再加上ZigBee、無線區域網路(Wi-Fi)或電力線通訊閘道器(PLC Gateway)與各感測器及消費者使用平台間進行溝通，再透過In-Home Display、Web Portal或智慧型手機、平板裝置等介面供使用者進行終端控制。感測控制設備主要包括溫度控制器及智慧插座兩大類產品，進行能源管理。
| ‧ |
|
| |
由於歐美地區氣候變化較為明顯，對於冷暖氣、通風設備的需求較高，平均冷暖氣的用電約占整體家庭用電的50%，因此，不少廠商從空調的溫控器著手，建立節能服務平台。此類產品的組合，通常包含一套溫控器及網路管理平台，廠商包括Nest、EcoFactor、ecobee等，其中又以Nest最具代表性。
前iPod設計總監成立的Nest Lab所開發出的Nest產品--智慧型溫控器(圖3)，除有蘋果(Apple)產品一貫極簡與富設計感的外觀之外，其只需1星期的學習期間，即可自動依使用者的習慣進行空調的調節與節能，完全不須擔心外出忘記關閉冷氣的問題，而且會透過預冷或預熱的方式，配合溫度調節，以節省能源。依Nest官方發布的數據，美國人平均20年間使用的冷暖氣電費約30,000美元(相當於1年1,500美元)，若持續使用Nest產品1年，可省下約173美元的費用，節省率約11.5%。 |
 |
| 圖3 Nest智慧學習溫控器 |
| ‧ |
|
| |
其他廠商則以智慧插座或其他感應器接入雲端系統平台，以進行家電開關的控制與能耗的觀察管理。例如英國的Alertme、加拿大的Talking plug或NTT東日本FLET's所提供的Miruene系統皆屬此類產品，其中又以Miruene最具代表性。
福島核災後電力管理在日本的重要性大幅提升，各類廠商也陸續推出類似節能平台商品。NTT東日本在2012年初就推出光纖網路(FLET's)的電力加值服務--Miruene(圖4)，主要目的是讓使用者透過配電盤和智慧插座與通訊閘道器溝通，藉此讓使用者確認整體家庭用電量，達到電力可視化的管理。
Miruene主要透過家中的配電盤及智慧插座，了解家庭整體用電及主要電器的耗能，另外，亦提供一些電能分析、比較、預測的圖表，提供使用者在電力可視化之餘，節省不必要的耗能。
|
 |
| 圖4 NTT東日本FLET's Miruene產品架構 |
| ‧ |
|
| |
前述HEMS產品多聚焦在電能管理上，但這只是消費者對未來智慧家庭中期待項目之一。因此，許多廠商均紛紛整合居家安全監控、防盜、節電、居家照護等功能，提供完整智慧家庭服務，其主要訴求為「智慧、安全、節能」。而對消費者而言，雖然智慧家庭提供較完整服務，整體知覺價值最高，但相對由於配線較為複雜，各感測器間不易與既有的產品相容，且須支付較高的安裝成本，故較不適用舊式住宅。這類方案以日本Panasonic的Lifinity(圖5)為主要代表。
日本Panasonic的Lifinity須安裝控制面板、訪客對講機、專用插座等，須花費11.6萬日圓，若再額外加裝火警通報器等設備，總計須花費約20萬日圓，且為整合家中空調、照明、電器用品等配線，整體線路須重新翻修，僅適合新住宅使用。另外，除安裝時的費用外，每月若須使用遠距開關服務、居家監控、家庭保全等服務，皆須額外支付500日圓的月租費，進入門檻較高。
|
 |
| 圖5 Panasonic Lifinity產品架構 |
M2M家用市場技術架構包括三部分
M2M主要的架構大致上可分為三大部分，包括感知、傳輸與分析處理，在家庭能源服務管理應用亦同。目前資策會智慧網通系統研究所針對家庭能源管理已提供完整的解決方案(圖6)，主要透過感測器，如智慧插座、照明開關控制、溫度量測控制器等布建，蒐集環境中各項耗能、溫度、時間及使用者行為等資訊，透過閘道器將這些資料傳到雲端伺服器進行運算處理後，對各類控制器進行最適當的指令。以下針對感知、傳輸及分析處理三大程序進行說明：
 |
| 圖6 家用能源管理平台架構 |
智慧插座負責感知環境
在上述架構中，感知測量是整體平台資料庫的第一步驟，為能有效蒐集各電器用電狀況，在不須額外拉線、適用於各類家庭，外接式的智慧插座將是主要的感測器。智慧插座包含兩種關鍵技術：
| ‧ |
|
| |
使用者行為經常改變，每項電器的使用狀況、情境亦不盡相同，使用感測器蒐集到的是異動頻繁的動態資料流(Stream Data)，這些資料流入量龐大、變化速度快(Velocity)且種類繁多(Variety)，形成了巨量資料(Big Data)。然在進行分析前，須先確認資料流入是正確的，避免導致垃圾進出(GIGO)的分析結果，因此，必須精確的自動計算每一插座所使用的電量，並記錄使用電力的時間，才能方便且清楚了解每一電器的電力使用狀況。 |
| ‧ |
|
| |
考量安全使用的原則，在智慧插座的應用面亦須加入控制負載或卸載、抗突波、電壓電流穩定性監測技術的應用，如此，可讓使用者遠端遙控電器是否開啟或關閉，而智慧插座偵測到電流超載或短路故障發生時，智慧插座會自動中斷輸出電源，避免火災發生，而穩壓、突波吸收(Energy Surge Absorber)的技術，可有效隔絕、箝制及吸收電力系統之突波、尖波等干擾電源，並減少直接雷擊損壞電器設備。 |
傳輸技術各擅勝場
當蒐集完大量的電器耗能及使用行為資料後，智慧插座與閘道器須要能快速且正確的溝通，反應平台的指令，進行控制各智慧插座開啟/關閉狀態，故在智慧插座與閘道器間需要雙向網路通訊與自我診斷技術。
智慧插座與智慧閘道器之無線通訊方面有許多選擇，如藍牙(Bluetooth)、超寬頻(UWB)、ZigBee、Wi-Fi，各有其優缺點。例如藍牙與UWB節點數量太少與通訊距離太短，無法滿足居家能源管理需求；而Wi-Fi雖然在節點數量、通訊品質、通訊距離、通訊速度均有較佳表現，但其耗能高，若每個插座均安裝一Wi-Fi模組，反而會浪費更多的電力。反觀，ZigBee雖訊號傳輸率(Signal Rate)遠不如Wi-Fi，但只須傳送少量用電資料即已足夠的應用中，ZigBee將是較佳的選擇，因此多數廠商在進行智慧插座及智慧閘道器間的連線，多採用ZigBee的通訊協定。
為能有效控制智慧插座，並且維持系統的穩健性(Robustness)，智慧閘道器須要考量網路的覆蓋、連結性、自我診斷功能(Self-diagnosis)、感測省電機制(Energy Saving)、能耗等功能。
透過巨量分析技術處理用電資訊
在家庭用電管理的分析系統中，藉由智慧插座等感測器蒐集部分電器特徵值及用電行為，這些資料可能包括電器本身的資料廠商、型號、使用年數等資料。使用電器行為則可能產生電壓、電流、頻率、功率因素、主動式功率(Active Power)等資料，透過上述兩類資料，即可建構主要家電設備的耗能特徵值資料與行為分析模型(圖7)。
 |
資料來源：資策會智慧網通系統研究所
圖7 家電耗能特徵值資料庫與行為分析模型 |
模型建立後，須進一步考量不同家庭中會有不同電氣設備，每種電器設備有不同的功率週期、不同用電波長，就算是同種類的電器在不同使用行為或不同品牌下，也會有不同的表現，甚至人為操作誤差都有可能增加電器的能耗。因此，須經由巨量資料分析技術，進行開發家電耗能行為評估及個人家電的耗電量診斷，以提出節能建議，改善使用者使用習慣，降低耗能浪費。
家用能源管理系統獲利模式
參考2012年Pike Research對逾一千位受訪者進行HEMS的相關調查，發現約有47%的用戶，對於透過家用顯示器觀察及控制能源相當感興趣，而在這些用戶中願意付費的用戶占57%，希望以一次性購買或以服務月租費之付費模式各占28%及29%，其餘的43%仍希望可免費獲得。HEMS廠商類型不同，獲利模式亦各有不同，以下就前述三大類廠商類型進行說明：
智慧軟體分析平台多免費提供
智慧軟體分析平台主要提供的服務為電費帳單的加值服務，終極價值是解決電廠的需量控制，並提升電力帳單的加值服務。大多免費提供給消費者使用或僅收取極少的費用，以鼓勵用戶使用，加強需量控制的力度，因此，主要獲利源應來自於電廠或其他廠商的費用。
簡易控制設備可賣斷或月租收費
簡易控制設備及能源管理系統，由於有簡易的硬體設備，所以接觸的通路別較多，感測器種類亦較歧異，部分廠商會將產品一次性賣斷，另部分廠商仍以收取月租費的方式為主。如同前面所提及的Nest智慧學習溫控器即採一次性賣斷設備的方式，每個智慧學習溫控器在亞馬遜網路書店(Amazon.com)上銷售249美元，若消費者無法自行安裝者，可再額外支付119美元的安裝費，便有專人協助安裝。
此類系統由於僅聚焦於電能管理，對使用者知覺上價值仍不比智慧家庭的整合價值高，因此，部分業者開始與監控業者或電信業者合作，一方面可藉由其通路共同推廣；另一方面亦可藉助其金流收取長期的月租費用，亦可為監控或電信業者增加產品的附加價值。以美國EcoFactor為例，2012年2月開始與美國最大的有線電視業者Comcast合作，共同推廣節能服務，每月收取10美元的月租費，保證節能15美元。另外，NTT東日本的Miruene亦是針對其光纖用戶收取每月420日圓的硬體及平台租用費。
智慧家庭整體方案採用混合型收費
智慧家庭提供的服務項目較多，須安裝與其控制平台相容的感測與控制設備，亦較複雜，多數還牽涉到須重新布線的問題，較難由消費者自行安裝。因此在安裝設備時，會收取一次性之安裝、設備費用；另外針對各項服務，亦會額外再收取服務月租費，屬於混合型的收費模式。
HEMS市場逐漸萌芽
M2M技術在家庭場域的應用，讓過去許多只能出現在電影的智慧家庭場景不再是幻想。家庭能源管理、居家安全監控等各類應用相關產業的蓬勃發展，讓市場的商機迅速成長，而由於政府法令規範、消費者對綠能意識抬頭及電價持續上漲，亦都成為HEMS產業正向發展的動力。
就產業的獲利模式而言，依智慧軟體分析平台服務、簡易控制設備及能源管理系統、智慧家庭整體解決方案等三大類型區分，多需要用戶支付設備或是月租費，少數僅提供電能資訊的平台，進入門檻低，但用戶使用的誘因又較為孱弱。相對的，若消費者為節省電費而節能，卻須額外支付一筆費用，兩者之間又頗為矛盾。
在技術面而言，數位聯網主要的三大技術要件：感知、傳輸、分析處理。感測器的多點複雜資料蒐集、抗突波及電壓電流穩定技術，以及傳輸的雙向網路通訊與自我診斷技術，仍有許多須持續優化改善的地方。此外，對使用者來說，硬體設備不易安裝、操作系統及使用者介面過於複雜、系統不夠人性化、智慧化等，皆是M2M在家庭場域中擴大普及率正面臨的挑戰。
除上述問題外，是否能開發更多加值服務或整合消費者現有服務系統，亦是成功關鍵。例如，是否整合既有的電信營運商、保全監控業者或物管業者的服務平台，拓展節能以外的加值服務，朝智慧家庭所提供的價值方向邁進；或蒐集多樣化的電器耗能資料庫後，一方面幫用戶建立家電診斷與電力安全管理服務，一方面提供家電製造商開創下世代節能電器的發想來源，進行更有效的應用，除提升用戶對系統的接受度，更可加速HEMS產業的上下游整合。
家庭能源管理正在快速的成長，儘管最佳獲利模式仍在摸索中，但台灣投入的業者相對較少，因此台灣廠商應加快腳步，在未來的M2M家用能源市場搶先布局。
(本文作者任職於資策會智慧網通系統研究所)