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ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案

2010/12/22 8:55:00

1．概述

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

由于ZigBee的優(yōu)越特性，基于ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，與后臺(tái)管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個(gè)有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見表1。

2．ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO擴(kuò)展指令集的ZigBee2006版本，ZIGBEE功能不斷強(qiáng)大。ZigBee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術(shù)相比較，ZigBee的特點(diǎn)主要有：

(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。

(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼。

(3)低速率、短延時(shí)。ZigBee的最大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2．4 GHz時(shí))，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。

(4)近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，若通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，擴(kuò)展后達(dá)到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

(5)高可靠性和高安全性。ZigBee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard，AES)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

3 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)表計(jì)的選型方案

3.1 ZigBee采集器/終端主要參數(shù)見表2。

3.2 ZigBee采集器見圖3.2

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端見圖3.3

4 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)

不管是有線還是無線，電能管理系統(tǒng)總會(huì)受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；?span>ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)也不會(huì)脫離這個(gè)約束，它也會(huì)由環(huán)境、距離和場合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于ZigBee的定位是短距離的通信，應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它所考慮的因素相對(duì)要少。

圖4為ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖，整個(gè)系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)子網(wǎng)主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表等，它們與ZigBee采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協(xié)議；ZigBee采集器下面最多可以連接32個(gè)表；由于MODBUS地址有限，整個(gè)ZigBee子網(wǎng)中最多能連接255個(gè)表；為了保障通信連接的可靠性，有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個(gè)路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（ZigBee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信正常；另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸，建議整個(gè)子網(wǎng)中的無線節(jié)點(diǎn)（即ZigBee采集器）的個(gè)數(shù)不應(yīng)大于60個(gè)，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個(gè)ZigBee子網(wǎng)都有各自的ID識(shí)別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。

5 應(yīng)用實(shí)例

圖5.1為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個(gè)系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)再通過單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信模式，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個(gè)表計(jì)，如果表計(jì)的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，通過原路返回給監(jiān)控主機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇等的各個(gè)分項(xiàng)的電能計(jì)量，譬如一個(gè)廠區(qū)路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報(bào)表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)間內(nèi)的各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項(xiàng)的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。

目前整個(gè)系統(tǒng)在江蘇安科瑞實(shí)施運(yùn)行，按照分項(xiàng)計(jì)量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，圖5.2就是該廠區(qū)的配電圖，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監(jiān)控，并全部使用ZigBee采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓、電能等參數(shù)，及一些簡單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對(duì)一些支路進(jìn)行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。

該項(xiàng)目整個(gè)ZigBee能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個(gè)，包括各類表記82個(gè)塊。圖5.3為ZigBee能源管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個(gè)系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個(gè)表通過485總線連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無線通信，各個(gè)空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個(gè)ZigBee采集模塊，等等。具體視表計(jì)的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個(gè)模塊，分散的分別連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行了一段時(shí)間。圖5.4為一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖，它實(shí)時(shí)反映了工廠這段時(shí)間內(nèi)的電流情況，從而反映整個(gè)廠區(qū)的負(fù)荷情況。

圖5.5為一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細(xì)地記錄了進(jìn)線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個(gè)廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D5.6所示，它記錄了一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。

6 結(jié)束語

ZigBee技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的一個(gè)，ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。