智慧型微電腦表雲端管理平台之規畫建置實務

主題：	智慧型微電腦表雲端管理平台之規畫建置實務
文章簡介：	過去大家對微電腦表的印象，僅止於遠端讀表，而且建置費用、通訊傳輸費用高、後續維運時需投入額外的成本，以上這些因素都影響各公司在此領域投入發展的意願，所以當初天然氣業者在規劃這個專案時，就特別針對以上讓大家裹足不前的因素進行考量；如何快速獲得一個穩定、安全、低成本又可供同業使用的系統，是我們的初衷也是目標。 另對專案的關鍵技術做進一步的介紹；如何運用此項技術結合智慧微電腦表雲端管理系統，並同時發展有別於一般微電腦表之智能表基礎建設。 關鍵字： 智能表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure，AMI)、 智慧微電腦表雲端管理系統（Smart Gas Management System，SGMS）。
作者：	吳佳倫
版本/產出日期：	V3.0 / 2016.11.19
參考連結:	https://scholar.google.com.tw/citations?view_op=view_citation&hl=zh-TW&user=nhJ92h4AAAAJ&citation_for_view=nhJ92h4AAAAJ:d1gkV

1. 前言

微電腦表在天然氣業界並非一個陌生的名詞；自欣中公司首度引進使用微電腦表後，十多年來同業及相關產業亦多有投入微電腦表的建置與相關技術的精進研究，但相較目前全國天然氣使用戶數，微電腦表在實務運用上並未能普及，本文將分享的是一個不同與以往的微電腦表建置模式，並對通訊傳輸技術的選擇運用作較詳細的介紹。

個人以行動通信架構整合專業天然氣公司結合四十年的天然氣輸配與先進之監控及感測元件技術，已逐年完成管線圖資資訊化與整壓站監控系統的建置，近年與國內、外相關技術廠商合作，期創建適合台灣市場之智能表基礎建設AMI系統，並在未來定義發展出適合同業使用之”智能雲端管理系統”(SGMS)。

天然氣公司將消費者使用天然氣的資料收集後並加以分析重點在提供更良善的管理制度及提供符合政府規範的服務給消費者，真心為台灣寶島這塊土地盡一份提供綠色能源、安全第一、節能環保的技術服務團隊，共同創造一套有台灣在地文化的營運模式，自期能有機會成為台灣產業典範品牌之一。

2. 專案摘要

2.1、專案緣起

1. 基於法規範對安全防災的要求─天然氣事業法第36條

近年來，全球各地發生規模6以上之地震頻繁，而因地震所造成的嚴重災情也時有所聞。與台灣同位處於環太平洋地震帶的日本，在1995年阪神地震及2011年的東日本大地震(311地震)，阪神地震中火災損害中住家全部燒毀6,148棟、燒毀損壞（非住家、住家）合計7,483棟、受災住戶9,017戶，而在311地震中經統計火災共有345件，仙台市區內震後因燃氣洩漏而造成火災有84處地點，另千葉縣JFE鋼鐵東日本煉鐵廠因燃氣管道破損發生爆炸，火焰衝上數十米高；而在1999年台灣的集集(921)地震，當日火災有90餘件，其中因燃氣外洩所引起的共計18次，佔第3位。從上述數據觀察得知，震後因燃氣外洩所造成的火災，在歷次重大地震的災損中亦佔有一定的比例。

據內政部消防署的統計資料，國內火災起火原因共分19類，其中因燃氣外洩所引起的事故，亦是火災發生的主要原因，另因使用不慎造成人員中毒傷亡事件，亦非鮮見。

若用戶加裝微電腦表，以其具有之自動遮斷、偵測、告警等功能，提供防災警訊，亦可有效降低承因為燃氣所致的風險。將日本的二次大地震震後火災數據做比較，311地震的火災事件明顯較少，主要原因是日本的微電腦表發揮了其基本的自動遮斷所致之效果。

故在102年2月1日公布之天然氣事業法第36條明訂「為促進消費者居家安全，中央主管機關應自本法施行之日起，擬定公用天然氣事業推動具有地震遮斷、壓力過低遮斷及通信等功能之微電腦表推廣計畫，並逐年實施。」

2. 地方的發展與市場趨勢

天然氣的供應與否，原本就是城鄉發展的指標之一，現今桃園即將成為台灣的第六都，配合地方的建設與發展；航空城、高鐵、機場捷運周邊地區的開發，桃園、八德地區等重劃區的建設，均已逐年依計畫執行中。

配合整體都市生活水準之提升，用戶用氣安全亦極需提升，當然用氣安全是瓦斯公司責無旁貸的責任，但隨著消者對高品質生活的追求，建商亦隨之推出滿足消費者需求的產品，近年來，在天然氣業者營業範圍內的多處建案，建商主動要求使用微電腦表，以提升其建案產品之質感；尤其以中正藝文特區內的高單價住宅，更期望公司能提供的不僅是讀表功能的微電腦表，最好可以有更好功能的智慧型微電腦表(智能表)。

另在機場捷運A7站周邊之合宜住宅，除原以綠建築標章為其設計規範，同時也提出希望要符合智慧建築標章規範的設計，整區合宜住宅之設計將提升為「智慧綠建築」，此建築規範規範訴求為節能、減碳、健康、舒適、安全防災等指標，其中安全防災項目指標與天然氣公司息息相關，既是公司責無旁貸的責任，以天然氣業者一向以顧客至上、安全第一、提昇效率及永續經營為公司的目標，公司必須有最佳方案來滿足客戶需求。

2.2、專案規劃考量因素

如前言所提，微電腦表在天然氣業界並非一個陌生的名詞，但實務上並未能普及，以下諸多因素是天然氣業者在規劃、選擇微電腦表的考量因素，相信也是同樣造成同業間多年來對微電腦表建置裹足不前的因素。

1.成本因素:包含建置成本與維運成本。

(1).微電腦瓦斯表成本

(2).相關設備建置成本

(3).通訊費用

(4).維護費用

2.用戶意願：因微電腦表每月基本費比機械表高，影響客戶選擇採用微電腦表之意願。

3.法令政策:雖天然氣事業已訂出微電腦表之推廣建置之法源，然相關計畫並未有明確的配套，致使同業面對成本及用戶意願所形成之推廣窒礙，尚無法有效解決。

4.經驗與技術:綜觀現有微電腦表所採用之技術，有線傳輸方式、WCDMA/LTE傳輸模式及使用手持式讀表設備讀取度數之方式，然既有的技術在個同業間使用之經驗，均未臻理想，仍有諸多精進之處，且其相關成本並不低，尤以每月需支付電信業者之通訊傳輸費用，更是同業的一大負擔，同時它還僅停留在自動讀表的功能。另國內長年來相關技術之取得多受制於日本，加上前述幾項因素之關聯，造成市場需求量無法增加，國內製造廠商囿於技術來源受限及市場規模不大之雙重不利因素下，多不願投入大量研發成本，建立本土自有之技術能量。

2.3、規劃構想

雖有上述諸多不利的條件，但公司仍須面對客戶的需求壓力，故自民國100年6月起，天然氣業者正式啟動專案，由資管部與工務部共同負責，從降低維運成本、通訊費用及與傳輸技術等三大問題來尋求可行之解決方案。經過多次研討後，我們擬出以下的執行方向:

1. 系統採用雲端架構，用以降低公司需增購軟、硬體設備及後續設備維護、汰換、維管人力的費用成本。

2. 詢訪國內具研發能量之製造商，期能獲得較低成本的微電瓦斯表，並能不再受制於日本來源技術。

3. 未來建立的是智能表基礎建設(AMI，Advanced Metering Infrastructure )，而

不再只是獲得一套自動讀表(AMR，Automatic Meter Reading)的新設備而已。

2.4、廠商合作關係之建立

基於前項專案的方向，我們需要有通信傳輸系統涵蓋面廣，且穩定的電信廠商來處理雲端架構的部分，一家有研發及生產能量，並熟悉日本微電腦瓦斯表的國內表商，最後是AMI系統技術的提供者，經過多方協調努力後，天然氣公司找到了適切的合作夥伴，同時建構了一套可實際運作的AMI系統與維運模式。

1. 電信業者

國內電信業者為無線通信整合系統營運商，其技術能量與基礎建設之規模亦為電信業之翹楚，自然是專案夥伴的最佳選擇。是時，電信業者正積極向企業界推展企業雲的概念，此同時啟發了我們要將原來的”瓦斯雲”擴展成天然氣同業都可以用的”瓦斯雲”，這個發想成為「智慧型微電腦表雲端管理平台」專案的正式啟始點。

電信業者在專案中角色:

(1).網路架設、構連及維護管理。

(2).伺服器管理及操作維護。

(3).客戶及系統資料處理、傳輸之安全管控及責任。

(4).控制器維修。

(5).管理平台介面中文化處理。

2. 智能微電腦表製造商

微電腦表研發生產的基本能量，後又與日本金門製造所合作在台建立完整產智能量，而與其有合作關係之廠商，不乏國際知名廠商；如Elster American Meter、Free-Style Technology等。我們相信永隆有能力做出符合需求且價格低於日本表之智慧型微電腦表。

微電腦表製造商在專案中的角色:

(1).提供其生產或代理之微電腦表通信協定，俾為系統整合。

　 (2).提供系統測試用微電腦表（歐美、日系）。

3. 雲端料庫技術分析

(1).無線傳輸模組及控制器技術及產品提供。

(2).管理平台系統軟體及技術提供。

(3).專案相關技術的技術移轉，協助國內廠商建立完整自有之AMI技術能

量。

3. 天然氣業者的解決方案

3.1、系統架構

1. 採用雲端概念，系統完成後由電信業者維運管理，經由網際網路之傳輸，公司即可遠端獲取用戶端資訊及控制用戶端之微電腦表。同業可循合作互利模式運用行動電信網路建構之平台，形成天然氣同業專屬之「瓦斯雲」。

2. 用戶微電腦表透過無線子機將訊息(度數、壓力、警報等)傳輸至控制器，由控制器端透過網際網路傳輸至電信業者機房之微電腦表管理平台伺服器，公司透過網際網路可讀取管理平台上公司智慧型微電腦資訊系統架構詳如圖一所示，用戶亦可透過無線設備讀取自家微電腦表使用狀況。

圖一、智慧型微電腦表資訊系統架構

3.2、系統功能與操作介面

1.系統已具下列功能已符天然氣事業法所示需具有地震遮斷、壓力

過低遮斷及通信等功能。

1.1.遮斷機能:

(1).合計流量超過 (2).個別最大流量超過 (3).安全繼續用時間超過

(4).地震遮斷 (5).壓力下降遮斷 (6).功能異常。

1.2.復歸安全確認機能:

(1).復歸操作 (2).安全確認機能。

1.3.警報機能:

(1).內管漏氣檢測 (2).電池電壓下降。

2.操作介面

下列為本系統功能操作介面的清單，由此可瞭解完整之系統功能及與智能表與原有微電腦表間差異所在，也就是AMI與AMR的不同。

2.1 主畫面功能 :

(1).版本說明顯示目前網頁版本。

(2).顯示目前該帳號所屬天然氣公司啟用表數。

(3).顯示目前帳號使用之帳號名稱與姓名。

(4).顯示目前帳號登入時間。

2.2 原始資料

(1).監控系統收到自瓦斯表傳來的緊急狀態訊息，原始資料畫面提示 "

緊急狀況處理" 按鈕於網頁進行處理回覆。

(2).依錶顯示最新回傳之日期、時間、瓦斯表序號、用戶編號、區域、

度數、壓力與詳細資訊欄位。

(3).點選”詳細資訊”可查詢包含該表序號、用戶編號、CN序號、CN地址、事件名稱、事件時間，並顯示連續使用時間、瓦斯表時間、大流量遮斷、手動復歸、超量參數、微漏參數、等設定值，並提供包含遠端開關閥控制、流量參數設定、高低壓設定、連續使用時間設定及綜合命令等設定功能。

(4).流量參數設定提供包含大流量遮斷(是/否)、允許遮斷手動復歸(是/否)、大

流量參數、微量漏氣參數四參數設定，設定前顯示目前設定。

(5).連續使用時間設定提供目前連續使用時間設定值與校正功能。

(6).綜合命令可預設以上系統參數進行整筆資訊校正功能。

2.3 瓦斯用量查詢

(1).可輸入年月查詢條件查詢統計報表，顯示瓦斯表序號、用戶號碼、使用度

數及日期。

(2).點選”抛轉後端”將資料抛轉至天然氣業者後端帳務系統。

2.4 瓦斯表管理

(1).可輸入瓦斯錶號碼、用戶號碼查詢瓦斯表資料，顯示瓦斯表號碼、用戶

號碼、區域及詳細資料等欄位。

(2).點選”詳細資訊”可查詢包含該表序號、用戶編號、CN序號、CN地址，並顯示連續使用時間、大流量遮斷、手動復歸、超量參數、微漏參數等設定值，並提供包含遠端開關閥控制、流量參數設定、高低壓設定、連續使用時間設定及綜合命令等設定功能。

2.5 掛錶確認

(1).整合後端客戶資料，輸入用戶號碼即查即找，並顯示姓名、電話及地址。

(2).提供讀表按鍵，顯示即時瓦斯表度數。

2.6 使用者管理

(1). 提供使用者管理可輸入姓名、連絡電話、手機、E-mail、使用者帳號、

密碼及系統權限設定。

(2). 系統記錄使用者登入時間，提供歷史記錄以供查詢。

2.7 緊急連絡人管理

(1). 依大流量、微量漏氣、低壓遮斷、高壓遮斷、連續使用時闁、地震等設

備回傳事件供設定緊急連絡人資料，連絡人資料包含姓名、行動電話、E-

mail 資訊，事件發生後配合瓦斯公司提供之指定簡訊特碼或E-mail 傳送

至連絡人行動電話或E-mail。

2.8 緊急狀態管理

(1). 顯示緊急事件回報資訊，欄位包含日期、時間、瓦斯表序號、用戶編

號、區域、狀態、度數、遮斷閥、處理狀況、詳細資訊、處理回報。

(2). 日期與時間以事件發生為主。

(3). 點選“詳細資訊”可連結至原始資料查詢包含該表序號、用戶編號、CN序

號、CN地址、事件名稱、事件時間，並顯示連續使用時間、瓦斯表時間、大流量遮斷、手動復歸、超量參數、微漏參數等設定值，並提供包含遠端開關閥控制、流量參數設定、高低壓設定、連續使用時間設定及綜合命令等設定功能。

(4). “處理狀態”點選後，顯示瓦斯表序號、事件時間、事件名稱並可輸入處

理人、處理狀態、處理結果、備註以供註記處理結果。

(5). 提供特定緊急狀態事件查詢，可輸入用戶編號、CN序號、瓦斯表序號、

指令訊息、日期等查詢條件並回傳日期時間、瓦斯表序號、MAC、CN序

號、事件名稱、備註、處理狀態等欄位。

3.3、本系統相對於現有微電腦表系統之優點

1.最低成本

(1).系統建置成本：

本案因採雲端架構建置，基本上公司無需增加系統軟、硬體設備

之投資，後續除視系統運用規模增加之需求外，無需額外之維管成本。

(2).通信成本：

現WCDMA/LTE簡訊傳輸費每通NT$1.5元/次；以系統功能所需之抄表、告警等，每一動作均計一次傳輸，另需付電路月租費，此項費用亦是同業推廣微電腦表非常在意的一項支出。而本案因運用較先進傳輸技術與系統架構，使電信業者願意配合AMI系統之特性，重新評估計價模式，每月每表僅收取單一通訊費，不再另收其費用；通訊費用大幅降低。

(3).維運成本：

如前所述，採用雲端架構，公司無需增購軟、硬體設備，後續無設備維護、汰換及維管人力的費用，且通信費用已大幅降低，系統運作後，公司所需支出費用僅為抄錶服務費及每月提供線上訊息傳輸用的通訊費。

2.系統獲得期程最短

電信業者已有完整之網路系統，現況後端管理平台與傳輸技術均為智能雲端管理系統提供之成熟技術，業經合作廠商完成修改及測試，通信模組並已獲得我國NCC認證，就整體系統環境而言，屬備便狀態，僅需依天然氣業者內部工務期程即可運作。

3.資安風險低

電信業者為國內最具規模之數據通信公司，其對資安管控之技術與機制具有一定之公信力，故採此模式獲取系統，對天然氣業者而言，相對減低資訊安全風險及成本；另經由合約可規範電信業者對天然氣業者資料處理、傳輸及存管之法律責任。

4.互惠合作

雙方除系統運作關係外，可提供彼此營運平台相互合作，俾以發展相關業務，增加收益；後續運用此平台加入加值型服務、運用電信業者系統作為公司客服平台的延伸等。

4. 通訊技術之應用解析

4.1、 智能網的起緣

前已提及本案因運用較先進傳輸技術與系統架構，來降低成本，故無線低功率和低成本的網路應用，會成為通訊市場的主流，ZigBee的應用目前是最受大家所重視的，ZigBee優勢在於低複雜度與低功率，非常適合在低傳輸率的感測器元件的傳輸介面，一些工業用及家用感測器、互動式玩具等，適合用ZigBee來無線化。

在ZigBee的傳輸上，從感知器或網路節點發出的訊號可能會經由一冗長的路徑，找出資料由傳送的最近連節點，然後藉由單次hopping連結到主裝置的方式，或是多點Hopping的方式，順利完成資料的傳輸。

目前市面上的ZigBee晶片不是沒有hopping傳輸的功能，就是hopping傳輸不成熟。本專案建構實務在說明，如何使用IEEE802.15.4 2.4 GHz頻段的調變系統做Hopping傳輸功能的設計實務並說明802.15.4基頻系統的設計原則，以對ZigBee hopping傳輸系統的設計實務與原理原則有系統的分析。

1、基本架構

智能表基礎建設(Advanced Metering Infrastructure，AMI)目前歐、美、日等國皆為節能減碳而積極發展智能電網（Smart Grid），而整體的智能電網包括發電、輸電、配電及用戶端。而將其運用於天然氣的管理，其主要的系統架構分三個部份：

1.智能表(Smart Meter)。2.通訊系統（Communication Node）。3.智能微電腦表管理系統（Smart Gas Management System，SGMS）所組成，除可取代人工抄表外，尚具有支援各種不同天然氣費率、提供用戶能源使用資訊並引導自發性節能、停復氣管理、進行天然氣智能表設備資產管理等優點。

經評估後，天然氣業者預計在民國102年優先完成重點社區大樓的天然氣智能表裝置；藉由本國資通訊(Information and Communication Technologies， ICT ) 產業技術優勢，推動AMI相關產業的發展。低壓供氣用戶部份，在能源局的規劃下，並在評估效益後，配合能源局政策，逐步推展擴用戶微電腦表之裝置率。

天然氣業者建置AMI之(初長)期目標如下：

1.1.初期目標

(1).遠端自動讀表：

減少抄表人力及往返交通耗能。

(2).用氣基本安全：

透過智能微電腦表參數之蒐集、分析，提供相對應之事件告警。

(3).提升搶修效率：

藉由管理平台提供事故地點、事件型態等資訊，以利搶修。

(4).降低氣耗損失：

比對用氣歷史與異常事件紀錄，並與整壓站監控系統整合，降低因管線老舊之損

失。

(5).帶動國內能源資通訊產業：

協助國內資通訊產業跨入天然氣領域，建立AMI自主技術。

1.2.長期目標

(1).結合家庭自動化網路（Home Area Network）：

因應數位家庭(Digital Home)之實現，導入家庭能源管理系統，進一步減少家用能源之消耗。

(2).建構智能天然氣輸配網：

結合整壓站自動化輸配、供氣回路自動化監控、分封離散式感知供氣等基礎建

設，提升用戶服務品質、輸配供氣系統運轉效率及供氣可靠度。

(3)緊急防災應變之規劃：

將智能天然氣輸配網在與地理圖資系統進行整合，建立完整有效之緊急防災應

變資料。

配合高、低壓AMI推展，未來用戶端智能表將逐步更新為天然氣智能表。在AMI系統建置後，用戶透過天然氣智能表，搭配其自動化設備通信系統和天然氣管理系統，可即時瞭解家中的用氣狀況。

一旦發現用氣量超出預期，可馬上關掉天然氣智能表氣閥，或是應客戶使用狀況調整微量出氣設定等作業；而天然氣業者則可以透過總量管制，減少供氣的輸配容量及傳輸氣量損失，進而達成全面性節能減碳。

值得注意的是，智能表只是量測工具，並非裝置後即可節省氣費，而是透過智能表瞭解自己的用氣情形，進而改變習慣，省下不必要的用氣，這才是真正節能減碳的方式。

4.2、 影響無線通信相關問題分析

1.MIMO與ZigBee無線技術是智能表無線通信系統的基礎

1.1. MIMO

MIMO配置應用在無線WiFi、WCDMA以及LTE上。在無線WiFi上安裝了2～4根天線的產品，但微電腦表端上安裝的天線最多只有2根。在體積較小的終端上增加天線的技術有超導材料技術。

MIMO自身的發展空間似乎比較小。最近較之於超導材料，以一根天線在多個方向擁有高增益的技術更受關注。況且，MIMO技術有非視線距離的傳輸能，其重點已經超出傳送與接收天線的數量。

目前MIMO在通信節點與智能表之間為點對點通信，應環境需要延伸多對多通信技術，以提升頻寬使用效率、通信可靠度可提升。因此MIMO網狀網路（Mesh Network）”將是未來通信主流。

由於MIMO技術可用以提供陣列增益、干擾抑制、多樣增益，與多工增益，因此具有擴大系統涵蓋範圍、提升鏈路品質、提高系統容量及頻譜效率，與提高資料傳輸率之潛力。此外，由於現代DSP技術的迅速發展和數位處理晶片運算能力的持續提升，使得MIMO所需之複雜運算成本已大幅降低，其實用性也隨之提高。

就未來的無線通訊系統需求而言，MIMO所能提供的兩種增益-空間多樣增益與空間多工增益，分別可以提升鏈路品質與資料傳輸率。

1.2. IEEE802.15.4的TG4g

正在討論的ZigBee新一代性能標準“SUN：smart utility network”。其應用目標是新一代電網（智能電網），設想以許多智能表和多個通信節點來和基地台為通信系統之架構下交換數據。不久的未來即將成為發展趨勢。

4.3、 重要關鍵因素之探討

1.調變數據及展頻規格

實體層規範中定義三使用個頻譜給ZigBee，分別為2.4GHz、915MHz、868MHz，每個操作頻譜所使用的通道為1、10、16個，2.4GHz頻譜所使用之頻段編號11到26中的16個通道。而實體層是OSI模態中最低層的部分，其工作是要置能與中斷無線通信收發裝置，傳送和擷取資訊，在目前頻譜上做信號能量偵測，並針對擷取訊框信號的環境通道執行導頻訊號以偵測鏈路特性。對於不同頻段的數據調變及展頻技術規格如表一所示：

表一、不同頻段的數據調變及展頻規格。

而對於國際ISM Band操作於2.4GHz通信模態式中的展頻因素，是將符碼對應片碼。每四位元為一符碼，一個符號對應至長度32的片碼，片碼之間彼此的循環關係，如表二所示：

表二、符碼對應片碼循環關係。

將符碼對應片碼之後，片碼先經過半弦整型，再使用OQPSK方式將信號調變，其中調變的方式是將片碼序列中偶數碼調變到同相位，奇數片碼調變到正交相位。正交相位取樣點會落後同相位一個位移相量(Offset)，這個位移相量是一個Time slot(即一個片碼時槽的時間)，同相和正交相位關係如圖二所示：

圖二、OQPSK chip offsets。

半弦波整型，是將每一個片碼之P(t)函數關係如式(1)如示：

(1)

而經半弦整型後波形如圖三所示：

圖三、基頻取樣循序列脈波整型後之波形。

而加入半弦波的OQPSK的這種調變方式又稱為MSK。MSK是一種連續相位頻率移鍵(Continuous Phase Frequency Shift Keying, CPFSK)的調變方式，而最大頻率位移正好是Tx傳送位元速率的2倍，也就是說，調變器的調變因素(Modulation Index)為2，MSK/OQPSK同樣將Q-phase信號相對於I-phase信號延遲為Tb，因此而抑制了調變信號中180°相位的交越失真現象。MSK的波形整型有助於減少接收端因解調所造成信號的非線性失真的問題。MSK電路如圖四所示：

圖四、MSK電路圖。

而MSK是QPSK演進的調變技術，雖然QPSK在傳輸速率的表現最佳，但在信號傳送時會有零點交越的問題，造成調變能量變小，因此會有訊號不連續的狀況，所以會使用較大頻寬，所已發展出新的改良調變方式OQPSK，OQPSK解決了零點交越失真的問題，也改變了QPSK的匹配電路，讓Q-phase延遲半個symbol的時間，因此也造成高頻振凌現象，會失去同步信號準位的問題。

因此就有了MSK的產生，它讓OQPSK多乘上了一弦波，可以將它判斷為I-phase cosine函數波，Q-phase sine函數波，而振幅為cosine與sin的平方相加，所以被固定為1，也是Zigbee載波傳輸中所運用到；而MSK也還是有些問題存在，因相位相互交替，會造成頻譜不集中，因此又改良出GMSK的調變技術，GMSK被廣泛運用在代行動通訊領域，它解決並改善了數位調變頻率,相位,振幅三個維度調變因素的變化問題，因此解決零點交越、相位連續，振幅固定、且頻譜集中。

所以重點歸納出結論如后，GMSK優於MSK優於OQPSK優於QPSK，GMSK的調變因素效能其結果最好。因此2.4GHz頻段調變與展頻信號流程關係如圖五所示：

圖五、信號流程圖。

IEEE 802.15.4 Hopping應用，有助於廣泛的被使用在數據調變的通信模態下。且具備Diversity接收功能的Hopping示意如圖六所示：

圖六、具備Diversity接收功能的Hopping示意圖。

經過MatLab信號模擬、使用VHDL功能呈現，並在Max Plus II進行電路測試，讓IEEE 802.15.4 hopping能在不影響傳輸效能下加入應用，讓整個系統使用上更加完整。

2.IEEE 802.15.4 Hopping設計方式

2.1. 傳送端

建構一個射頻通信系統，必須包含發射機、發射信號、無線通道、接收機。發射機信號流程如圖七所示：

圖七、發射機信號流程圖。

為描述bit to symbol / symbol to chip，利用serial to parallel和case對應彙整對照，利用這兩個比對方式來組合出bit to chip示意圖，如圖八所示：

圖八、Bit to Chip示意圖。

當輸入兩位元的信號來測試輸出，經過serial to parallel來計算到4時，就會把所存取的4個位元移位暫存資料，就會有對應的32bit位元的輸出，其結果如圖九所示：

圖九、bit to chip時序圖。

OQPSK調變部份，目前將取得的32bits信號，並區分為I-phase 和Q-phase結果如圖十所示。b-up為I-phase相位有16bits資料，b-down為Q-phase相位也有16bits資料；而加入半弦整形後，會讓I-phase 和Q-phase 的偶數項乘上一個經由相位遲滯180°的(0,-1,0)負半弦波。

圖十、 區分I-phase 和Q-phase。

信號在傳輸的過程中因環境因素的而改變，進而影響接收端信號的接收，因此信號的誤碼率會很高。所以技術上會加入(Cyclic redundancy check，CRC)，其原理就是多項式除法，主要就CRC執行後所取得一個值，在傳輸前後分別計數一次，然後再進行比對，即可發現是否有錯誤位元發生，而所適用的多項式為G(x)= x16 + x12 + x5 + 1，為其運作程序如方塊圖十一所示：

圖十一、多項式除法程序圖。

將CRC-16,區分I-phase和Q-phase來做，CRC-up及CRC-down分別會有32個code word，在資料量加上糾錯碼以提升錯誤更正誤碼產生的能力，描述為CPLD code，利用Max Plus II，演算出來的結果如圖十二所示：

圖十二、經過CRC-16 Encoder演算結果。

2.2. 接收端

接收機的運作則是發射機相反，信號流程如圖十三所示：

圖十三、接收機信號流程圖。

使用鎖相迴路(Phase Lock Loop，PLL)來處理電路上同步的部份，如CRC-16 電路方塊圖十四所示：

圖十四、 多項式除法程序圖。

接收到的I-phase和Q-phase相位信號進行糾錯測試，再將資料還原為初始之16bits資料，即可輸入半弦波整形和OQPSK，也就是MSK調變電路。而MSK接收機方塊圖如圖十五所示：

圖十五、MSK接收機方塊圖。

將收到的CRC-16 還原後資料，輸入OQPSK 的鑑別電路(Decision circuit)鑑別後，整併為32bits序列資料，即可以進入chip to symbol。Chip to symbol 波形如圖十六所示：

圖十六、 Chip to symbol時序圖。

根據以上核心技術的說明應用在整個作業系統規劃重點設計為1.通訊節點控制裝置，2.再整合中繼器進階延伸轉換信號涵蓋的使用說明重點如下。

(1).通訊節點控制裝置: 防水等級IP67(戶外型, 可直接防水)。

電源種類: AC 90V~220V (非防水型)、用途: 連接智能表與中華電信3G網路、可連接智能表數量: <34顆、插頭總類: 台灣標準,雙孔 (如戶外型, 請注意防水)、通訊節點控制裝置與智能表, 通訊距離: <40公尺 ，如圖十七所示。

圖十七、通訊節點控制裝置。

(2).中繼器裝置: 防水等級IP67(戶外型,可直接防水)、電源種類: AC 90V~220V (非防水型)、用途:用於延長智能表與通訊節點控制裝置通訊距離(但無法增加智能表連線通訊數)、插頭總類: 台灣標準雙孔 (如戶外型, 請注意防水)、通訊節點控制裝置至智能表的通訊距離: <40公尺，如圖十八所示。

圖十八、中繼器裝置。

整合兩裝置可以將通訊節點控制裝置為中心40公尺半徑內，所有智能表通信模組皆可以順利接收，每個通訊節點控制裝置同時有效可控制最多34顆智能表，超過34顆則另外加裝通訊節點控制裝置。

如智能表數量在少於34顆以下的住況時(<34顆)，但在一顆通訊節點控制裝置為中心半徑超過50公尺的狀況下，則可採用中繼器裝置，其目的再延伸服務涵蓋範圍，並無法增加智能表服務數量。

5. 結論

公用天氣事業必須運用更佳的技術來提供客戶安全的用氣環境、提高生活品質，「顧客至上、安全第一、提昇效率、永續經營」的經營理念與公司目標，面對法規範的要求及客戶的需求，公司在此理念之下，願意投入時間與人力去尋求一個符合公司經營理念的系統解決方案。

在專案執行的過程中我們看到專案夥伴在原來角色的改變；不管是提供技術與服務電信業者，瓦斯表的代理及製造廠商或是原來只是扮演電信業者及表商客戶的天然氣業者，在這個專案裡，都由原來被動的角色轉成直接主動的角色，從原來單純供應與消費的角色轉成彼此合作的角色，這樣的轉變也帶給了我們業界向前發展的一些助力。

在科技發展的帶動下，我們大膽的構思新的系統架構與營運模式；為了提昇客服品質，我們不再滿足於功能簡單的AMR微電腦表，而直接以建構AMI為目標。經過二年來的努力，電信業者終於今年4月25日對外展示「智慧型微電腦表雲端管理平台」，在這基礎建設上，天然氣業者也規劃了如下所列的系統可發展方向，目前已有同業參與進行雲端平台測試，並提供專案團隊寶貴的意見。期待從這個平台開始，將台灣天然氣業微電腦表的技術與運用帶入一個新的境界，並提昇國內用氣安全與防災應變相關的技術能力。

未來發展方向:

    1.破裂分析系統

    2.能源效益分析系統

    3.數位保全系統應用

    4.行動數據設備整合運用

    5.客服中心發展