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ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)設計與選型方案

閱讀：174發(fā)布時間：2011-1-10

ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)設計與選型方案

全建紅

上海安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

一．概述

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術，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，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯(lián)網(wǎng)。

由于ZigBee的*特性，基于ZigBee技術的無線組網(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，適用于企業(yè)內部能耗監(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zui后一公里通訊技術比較見表1。

	載波	RS485	ZigBee無線
建網(wǎng)難度	簡單	困難	簡單
一次性投資	小	一般	較大
運行維護	困難	比較困難	容易
通信速度	低	高	高
可靠性	差	一般	好
實時監(jiān)控	不能	能	能

表1 ZigBee與其他“zui后一公里”技術的比較

二．ZigBee技術特點

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)絡類型，即星型結構（Star）、網(wǎng)狀結構（Mesh）和樹型結構（Cluster Tree），特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，ZigBee的特點主要有：

（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)的應用需求。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需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)絡結構。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)務預留了時隙，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)科學醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，分別為2．4 GHz（）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）。

三 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)表計的選型方案

四 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(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?；?span>ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(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，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡時，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)體系結構的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡ZigBee無線局域網(wǎng)絡組成。整個子網(wǎng)主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網(wǎng)絡終端組成。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)不應大于60個，這樣能保證網(wǎng)絡中的通信質量。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)。

五應用實例

圖5.1為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠程通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中電表的通信協(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)絡中心節(jié)點，網(wǎng)絡中心節(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為一段時間內主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內的電流情況，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)各回路電能匯總如圖5.6所示，它記錄了一段時間內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。

6 結束語

ZigBee技術在2004年就被列為當今世界發(fā)展zui快，市場前景zui廣闊的技術中的一個，ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應用于各種自動控制領域。

作者簡介：

1、全建紅，研究方向為電能管理技術 69158302 :acrelqjh@

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