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

1、物聯(lián)網(wǎng)（Zigbee）無線網(wǎng)絡(luò)電能 管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)( Zigbee )無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)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)，主要適合于自動控制、遠程控制領(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現(xiàn)手段。適合應用于 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

2、。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，與后臺管理主站組成一個完 整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效 的解決方案。 Zigbee 與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見 表 1。ZIGBEE 與其他“最后一公里”技術(shù)的比較表 1PLCRS485ZIGBEE建網(wǎng)難簡單困難簡單一次性小一般較大運行維困難比較困容易低高高可靠性一般好可靠性 實時監(jiān)差 不能一般 能好 能2 技術(shù)特點圖 2) ，它支持 3 種主要的 (Star) 、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) ，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，、 Bluetooth 等短距離無線通訊技術(shù)相比較，集的 ZIGBEE2006版本， ZIGBEE功能不斷強大。 Z

3、IGBEE結(jié)ZIGBEE協(xié)議基于 IEEE 802.15.4 標準，從 2004 年發(fā) 布 ZIGBEE V1 0 到最新的增加了 ZIGBEE-PRO擴展指令 具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能 自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星 (Mesh) 和樹型結(jié)構(gòu) (Cluster Tree) 具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用 的 wi-Fi ZIGBEE的特點主要有：圖 2 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)拓撲分類(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，不工作時都可以進入睡眠模式。(2)

4、低成本。通過大幅簡化協(xié)議 (不到藍牙的 1/10) ， 降低了對通信控制器的要求，以 8051 的 8 位微控制器 測算，全功能的主節(jié)點需要 32KB 代碼，子功能節(jié)點少 至 4 KB 代碼。(3) 低速率、短延時。ZIGBEE的最大通信速率達到 250 kbs(工作在 24 GHz時) ，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應 用需求。 ZIGBEE的響應速度較快， 一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作 狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms，進一步 節(jié)省了電能。相比較，藍牙需 310 S 、 Wi-Fi 需 3 S。業(yè)務預留了專用時(4) 近距離，高容量。傳輸范圍一般介于 10100 m， 在增加 RF發(fā)射功率

5、后，亦可增加到 13 km。這指的是 相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力， 擴展后達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)。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最 多一個主節(jié)點可管理 254 個子節(jié)點 多一(5個) 高主可節(jié)靠點性可和管高理安全25性4 。個子Z節(jié)IG點BEE的媒體接入控制層 (Medium Access Control ，MAC采) 用 CSMA/CA的碰撞避 免機制， 隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 ZIGBEE還提供了 3 級安全模式，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)以及采用高級加密標準 (AdvancedEncry

6、ption Standard ， AES)的對稱密碼，以 靈活確定其安全屬性。(6) 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療（Industrial Scientific Medical， ISM）頻段，分別為24 GHz（全球） 、915 MHz（美國）和 868 MHz（歐洲） 。 3 性能參數(shù)Zigbee 采集器/ 終端主要參數(shù)見表 3。表3參數(shù)型號ANEZB-485ZIGBEE采集器ANEZB-GTWZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端無線頻率范 圍2.41GHz2.48GHzRF信道16接收靈敏度-94dbm發(fā)射功 率-27dbm25dbm天線外置 SMA天線網(wǎng)絡(luò)拓 撲網(wǎng)狀尋址方 式IEEE802

7、.15.4/ZIGBEE 標準地址網(wǎng)絡(luò)容量最大 255 個節(jié)點通信接口4通信接 口RS485工業(yè)以太網(wǎng)波特率9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps 可選；通信協(xié)MODBUS-RT協(xié)U議議LED指示網(wǎng)絡(luò)狀 態(tài)指示綠燈POWER紅燈指示數(shù)據(jù)指 示綠燈電源輔助電 源220V AC功耗4W浪涌電壓 4000V電磁兼快速瞬變?nèi)好}沖 4000V容靜電 8000V機械尺897674mm5寸工作溫 度-20 65儲藏溫 度-40 854 接線方式采集器接線圖 4.1 ANEZB-4854.2 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)終端 見圖 4.2.55 .1外 Z形IG與BE安E裝采尺集寸器（m

8、見m圖） 5.14.1 ZIGBEE 采集器 見圖 4.1圖 5.1 ANEZB-485 采集器外形及尺寸5.2 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)終端 見圖 5.2圖 5.2 ANEZB-GTW 網(wǎng)絡(luò)終端外形及尺寸5.3 安裝方式采用 35mm標準導軌安裝，見圖 5.3圖 5.3 Zigbee 模塊安裝方式6 無線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖 6 為無線通信抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，整個網(wǎng)絡(luò)主保證單一節(jié)點出現(xiàn)故障時不數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備主站計算機系統(tǒng)手持設(shè)備要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網(wǎng)絡(luò)、遠方 通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。 ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng) 的體系結(jié)構(gòu)也繼承了無線通信抄表系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)與無 線抄表系統(tǒng)大致一樣，整

9、個網(wǎng)絡(luò)也由計量儀表、 ZIGBEE 采集器（負責與計量儀表之間的通信） 、 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)終 端（負責與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對接， 譬如工業(yè)太網(wǎng)等）、上 層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲設(shè)備。 ZIGBEE無線通信抄表 系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是 MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)， MESH網(wǎng) 絡(luò)能更好得保證通信質(zhì)量，保證單一節(jié)點出現(xiàn)故障時不 影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。PSTN/GPRS/CDMA以太網(wǎng)等手持設(shè)備手持設(shè)備無線臺變多功能表單費率無線電能表紅外無線集中器 1RS485總線RS485總線無線集中器 2RS485總線無線通信網(wǎng)絡(luò)RS485總線多功能無線電能表多費率無線電能表RS485總線M-Bus/RS485三相無

10、線電能表非電量 計量儀表485電能表圖6 無線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖7 無線抄表解決方案不管是有線還是無線，抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離 和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；?ZIGBEE抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束，它也會由環(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，應用于寫字樓、辦 公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時，它所考慮的因 素相對要少。， 有的時候要視環(huán)境和距離的情況，另外考圖 7 為 ZIGBEE無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖， 整個系統(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)

11、組成。整個子網(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 MODBU通S 信協(xié)議； ZIGBEE 采集器下面最多可以連接 32 個表；由于 MODBU地S址有 限，整個 ZIGBEE子網(wǎng)中最多能連接 255 個表；為了保 障通信連接的可靠性， 有的時候要視環(huán)境和距離的情況， 需要多加幾個路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 （ ZIGBEE采集器配置 成路由功能），以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常； 另外考 慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網(wǎng)中

12、 的無線節(jié)點（即 ZIGBEE采集器）的個數(shù)不應大于 60 個， 這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個 ZIGBEE子網(wǎng)都有 各自的 ID 識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多 的表計數(shù)。圖 7 ZIGBEE 無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖8 基于 ZigBee電能管理系統(tǒng)的應用實例MODBUS-RTU圖8.1 為ZigBee電能管理系統(tǒng)，遠程通信網(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 協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過以太網(wǎng)按照 TCP/IP協(xié)議 把 MODBUS-R命TU令數(shù)據(jù)傳遞給 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，網(wǎng) 絡(luò)中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方 式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞 給

13、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的各個 ZigBee采集器，通過 ZigBee 采集器傳遞給 485總線上的 各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻 合，則做出相應的數(shù)據(jù)回復， 通過原路返回給監(jiān)控主機。整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分 項的電能計量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室 的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報表的 形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項能耗占總能 耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項的能 耗，以制定出往后能耗管理方案，已達到節(jié)能減耗的效10目前整個系統(tǒng)在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計 量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進線和出線進行分項計量， 圖8

14、.2 就是該廠區(qū)的配電圖，整個系統(tǒng)對所有的進線回 路進行監(jiān)控，并全部使用 ZigBee采集模塊進行數(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)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生 產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進行全方位的監(jiān)視，這樣方便 工廠了解各項數(shù)據(jù)，以便制定更詳細的節(jié)能方案。表計1 . 表計32表計1 . 表計32表計1 . 表計32圖8.1 ZigBee 電能管理系統(tǒng)圖8.2 廠區(qū)配電圖該項目整個 ZigBee 無線電能管理系統(tǒng)采用的無線 模塊為 21個，包括各類表記 82個塊。圖 8.3 為ZigBee無 線電能管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個系統(tǒng)包含的 所有表計

15、。其中配電室的 14個表通過 485總線連接到一 個ZigBee采集模塊進行無線通信，各個空調(diào)插座由于比 較分散，各采用一個 ZigBee 采集模塊，等等。具體視表 計的離散情況，集中在一起的用 485總線連接一個模塊， 分散的分別連接一個模塊。以這樣的方式比較靈活，減 少布線帶來的困難。11圖8.3 ZigBee 無線電能管理系統(tǒng)通信圖4整為個一系段統(tǒng)時運間行內(nèi)良主好進，線已電經(jīng)流在趨現(xiàn)勢場圖運，行它了實一時段反時映間了。圖8情圖工廠況8這段時間內(nèi)的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負荷圖 8.4 一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖值能，、圖8.5 為一段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù)的具體數(shù)它詳細地記錄了進線回路三相電壓、電流、有功電 無功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個廠區(qū)各回 路電能匯總?cè)鐖D 8.6 所示，它記錄了一段時間內(nèi)各個回 路的耗電情況，包括各回路進行柜的總電能及分支電能。圖 8.5 一段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù)12圖 8.6 各回路電能匯總9 總結(jié)隨著無線通信及 ZigBee 技術(shù)的迅速發(fā)展，基于 ZigBee 的電能管理系統(tǒng)也將漸漸得到人們的關(guān)注。 ZigBee可以很好的解決有線通信方式布線難度大、成本 高、不易維護和升級等問題，而