zigbee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計與選型方案
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(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。
2．zigbee技術(shù)特點
zigbee協(xié)議基于ieee 802.15.4標準，從2004年發(fā)布zigbee v1．0到的增加了zigbee-pro擴展指令集的zigbee2006版本，zigbee功能不斷強大。zigbee具備強大的設(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的特點主要有：
圖1zigbee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）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zui大通信速率達到250 kb／s（工作在2．4 ghz時），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，zui多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
（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的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了時隙，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)以及采用加密標準（advancedencryption 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(xué)醫(yī)療（industrial scientific medical，ism）頻段，分別為2．4 ghz（）、915 mhz（美國）和868 mhz（歐洲）。
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。基于zigbee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(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(yīng)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。
圖4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)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modbus通信協(xié)議；zigbee采集器下面zui多可以連接32個表；由于modbus地址有限，整個zigbee子網(wǎng)中zui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)中的無線節(jié)點（即zigbee采集器）的個數(shù)不應(yīng)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)。
5 應(yīng)用實例
圖5.1為zigbee能源管理系統(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modbus-rtu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-rtu命令數(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(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，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)能減耗的效果。
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5.2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。
該項目整個zigbee能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖5.3為zigbee能源管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個系統(tǒng)包含的所有表計。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。
整個系統(tǒng)運行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。圖5.4為一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內(nèi)的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負荷情況。
圖5.5為一段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D5.6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。
7 結(jié)束語
zigbee技術(shù)在2004年就被列為當今世界發(fā)展zui快，市場前景zui廣闊的技術(shù)中的一個，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)用于各種自動控制領(lǐng)域。
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