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(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。ZIGBEE與其他“最后一公里”技術(shù)的比較表1PLCRS485ZIGBEE無線建網(wǎng)難度簡(jiǎn)單困難簡(jiǎn)單一次性投資小一般較大運(yùn)行維護(hù)困難比較困難容易通信速度低高高可靠性差一般好實(shí)時(shí)監(jiān)控不能能能2技術(shù)特點(diǎn)ZIGBEE協(xié)議基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZIGBEEVI.0到最新的增加了ZIGBEE-PR0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2),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)(ClusterTree)，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：工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(ReducedFunctionDevice,簡(jiǎn)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。低成本。通過大幅簡(jiǎn)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4KB代碼。低速率、短延時(shí)。ZIGBEE的最大通信速率達(dá)到250kb/s(工作在2.4GHz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?10S、Wi-Fi需3S。近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10?100m,在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。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oZIGBEE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)。高可靠性和高安全性。ZIGBEE的媒體接入控制層(MediumAccessControl,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(jìng)爭(zhēng)和沖突oZIGBEE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)(AdvancedEncryptionStandard，AES)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。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(IndustrialScientificMedical，ISM)頻段，分別為2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)。3性能參數(shù)Zigbee采集器/終端主要參數(shù)見表3o表3參/芝號(hào)、ANEZB-485ZIGBEE采集器ANEZB-GTWZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端無線頻率范圍2.41GHz~2.48GHzRF信道16接收靈敏度-94dbm發(fā)射功率-27dbm~25dbm天線外置SMA天線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)狀尋址方式IEEE802.15.4/ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)地址網(wǎng)絡(luò)容量最大255個(gè)節(jié)點(diǎn)通信接口通信接口RS485工業(yè)以太網(wǎng)波特率9600bps（默認(rèn)）、4800bps、2400bps、1200bps可選；通信協(xié)議MODBUS-RTU協(xié)議LED指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示綠燈POWER指示紅燈數(shù)據(jù)指示綠燈電源

輔助電源220VAC功耗4W電磁兼容浪涌電壓4000V快速瞬變?nèi)好}沖4000V靜電8000V機(jī)械尺寸89X76X74mm工作溫度-20€~65°C儲(chǔ)藏溫度-40°C~85°C4接線方式ZIGBEE采集器見圖4.1圖4.1ANEZB-485采集器接線ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端見圖4.2.圖4.2圖4.2ANEZG-GTW網(wǎng)絡(luò)終端接線圖5外形與安裝尺寸(mm)5.1ZIGBEE采集器見圖5.1。圖5.1ANEZB-485采集器外形及尺寸ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端見圖5.2。圖5.2圖5.1ANEZB-485采集器外形及尺寸ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端見圖5.2。圖5.2ANEZB-GTW網(wǎng)絡(luò)終端外形及尺寸安裝方式采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，見圖5.3。H-□」1越 1]\1⑥圖5.3Zigbee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?fù)鋱D，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成：計(jì)量?jī)x表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)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，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也由計(jì)量?jī)x表、ZIGBEE采集器（負(fù)責(zé)與計(jì)量?jī)x表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端（負(fù)責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對(duì)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(chǔ)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(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)。PSTN/GPRS/CDMA米集器單費(fèi)率無線電能表多功能無線電能表多費(fèi)率無線電能表非電量計(jì)量?jī)x表三相無線電能表米集器M-BusXZ/RS485PSTN/GPRS/CDMA米集器單費(fèi)率無線電能表多功能無線電能表多費(fèi)率無線電能表非電量計(jì)量?jī)x表三相無線電能表米集器M-BusXZ/RS485數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)備7、手持設(shè)備圖6無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D抄表系統(tǒng)總會(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案。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(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯IGBEE抄表系統(tǒng)也不會(huì)脫離這個(gè)約束，它也會(huì)由環(huán)境、距離和場(chǎng)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7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米集器以及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)。蛙抹竹理心蛙抹竹理心M踣誼倩層圖7ZIGBEE圖7ZIGBEE無線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖叫場(chǎng)攻樸L'.一8基于ZigBee電能管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例圖&1為ZigBee電能管理系統(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8.2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(jiǎn)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。圖8.1ZigBee電能管理系統(tǒng)圖8.2廠區(qū)配電圖該項(xiàng)目整個(gè)ZigBee無線電能管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個(gè)，包括各類表記82個(gè)塊。圖8.3為ZigBee無線電能管理系統(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。

圖8.3乙gBee無線電能管理系統(tǒng)通信圖整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了一段時(shí)間。圖8.4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。主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖8.4一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖圖8.5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D8.6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。ACT>EFK1 J I Li ir0進(jìn)線回路2陽w加。UbW)UcW)Qab(V)Ubc(7)Uac(V)h(l)lb(A)Ic(A)P(kw)wn(Hx)Epllklh)32010/10/1313:14:53233.7225.6231.5398.1396.8400.014XZ149.1242.391.139.60.93750.OO345383.042010/10/1314:14:53234.6225.9232.5398.7400.2401.91M.3193.7ITS.6111.142.10.91850.05345482.052010/10/1315:14:53237.022Y.9235.6403.54M.2406.1137.T155.5141.091.142,F0,86650.003455B7.062010/10/1316:14:53238.1228,0237.4404.7406.6407,6X5203.6182,0131.053.20.93750.00345699.012010/10/1317:14:9$230.3232.4237.1407,1409l04113162.?174.1168.4111933.10.96150.00345811X0t2010/10/1318:14:53240.4229.2233.0403.6血8408.79(X7165.8H8.5a7.333.00.93750.OO345902.052010/10/1319:14:5323B.7225.2231.1399.740Ol84014119.T16L1138.4也647.90.B5250.03345985.01Q2010/10/1320:14:53239.2226.6231.3400.4402.6404.4117.4165.7129.4B5.930.T0.94549.98346069.Q2010/10/1321:14:53239.0227.0230.9401.1W1JWtl1W.TM4135.389.731,90,92950.0234?1U.O122010/10/1322:14:53230.9229.6236.4405.34C6.559.112t2155.6143.785.341.6a.88?50.0$346219l0H2010/10/1323:14:53236,9229.6230.8401.931.6104.391.5109.4123.1T0.QZU0.93449,97346293.0圖8.5一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)各回診電能匯恵表起止時(shí)|b]:2010年10月12日13時(shí)1吩2秒一201暉10月L4日13時(shí)1密酬3所處位置回路名稱起始電能值結(jié)東電能值用電:tGsWh)4-檄1柜K1柜進(jìn)線總表計(jì)量102065.0102327.0762.06一槪i柜空調(diào)總表909,5909.50.0￡一樓K1柜空壓機(jī)、會(huì)議窒234.4234.40.07一樓K1柜空調(diào)機(jī)111840.B11刖680.08一如目空調(diào)機(jī)28324.9832d.90,09一樓K1柜空調(diào)機(jī)33164.g3164.40.010一擦1柜空調(diào)機(jī)411968.211968.20.01!一換柜空調(diào)機(jī)5554.7554,70.012一樓K1柜情捉何計(jì)蚤436.843