物聯網（Zigbee）無線網絡電能管理系統

1 概述

        隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術，稱之為ZIGBEE，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、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網。

        由于ZIGBEE的優越特性，基于ZIGBEE技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡，適用于企業內部能耗監測及管理系統，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統中。而若將其與成熟的工業以太網和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控系統，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比較見表1。

                     ZIGBEE與其他“最后一公里”技術的比較            表1

2 技術特點

        ZIGBEE協議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發布ZIGBEE V1．0到最新的增加了ZIGBEE-PRO擴展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZIGBEE具備強大的設備聯網功能(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。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：

圖2  ZIGBEE網絡拓撲分類

(1)工作周期短、收發信息功耗較低，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，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4 KB代碼。

(3)低速率、短延時。ZIGBEE的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數據的應用需求。ZIGBEE的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。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發射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節點間的距離，若通過路由和節點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZIGBEE可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點。

(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務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。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據以及采用高級加密標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(6)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

3 性能參數

                                                 Zigbee采集器/終端主要參數見表3。

                                                                           表3

4 接線方式

4.1 ZIGBEE采集器，見圖4.1

圖4.1 ANEZB-485采集器接線

4.2 ZIGBEE網絡終端，見圖4.2.

       圖4.2 ANEZG-GTW網絡終端接線圖

5 外形與安裝尺寸(mm)

5.1 ZIGBEE采集器，見圖5.1。

圖5.1 ANEZB-485采集器外形及尺寸

5.2 ZIGBEE網絡終端，見圖5.2。

圖5.2 ANEZB-GTW網絡終端外形及尺寸

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 無線系統體系結構

        圖6為無線通信抄表系統網絡拓撲圖，整個網絡主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網絡、遠方通信網絡以及數據交換設備。ZIGBEE無線通信抄表系統的體系結構也繼承了無線通信抄表系統，它的結構與無線抄表系統大致一樣，整個網絡也由計量儀表、ZIGBEE采集器（負責與計量儀表之間的通信）、ZIGBEE網絡終端（負責與上層通訊網絡的對接，譬如工業太網等）、上層通信網絡和數據交換存儲設備。ZIGBEE無線通信抄表系統一般采用的組網方式是MESH的網狀網絡，MESH網絡能更好得保證通信質量，保證單一節點出現故障時不影響其他節點通信狀態。

圖6 無線網絡拓撲圖

7 無線抄表解決方案

        不管是有線還是無線，抄表系統總會受到環境、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抄表系統也不會脫離這個約束，它也會由環境、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、工廠等無線抄表網絡時，它所考慮的因素相對要少。

        圖7為ZIGBEE無線集抄系統單個子網組成示意圖，整個系統前面闡述的系統體系結構的組成一樣，主要由上行網絡工業以太網和下行網絡ZIGBEE無線局域網絡組成。整個子網主要由電表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE網絡終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網絡電力儀表等，它們與ZIGBEE采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協議；ZIGBEE采集器下面最多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個ZIGBEE子網中最多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網絡節點（ZIGBEE采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節點的通信正常；另外考慮到無線網絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網中的無線節點（即ZIGBEE采集器）的個數不應大于60個，這樣能保證網絡中的通信質量。每個ZIGBEE子網都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。

圖7  ZIGBEE無線集抄系統單個子網組成示意圖

8 基于ZigBee電能管理系統的應用實例

        圖8.1為ZigBee電能管理系統，遠程通信網絡采用工業以太網絡，網絡中電表的通信協議采用MODBUS-RTU協議。整個系統中監控主機通過以太網按照TCP/IP協議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網絡中心節點，網絡中心節點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給ZigBee無線網絡中的各個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，則做出相應的數據回復，通過原路返回給監控主機。

        整個系統可以監測整個廠區或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產線的耗電量等等，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，已達到節能減耗的效果。

        目前整個系統在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區內的各路進線和出線進行分項計量，圖8.2就是該廠區的配電圖，整個系統對所有的進線回路進行監控，并全部使用ZigBee采集模塊進行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能等參數，及一些簡單的開關量的控制。系統還對一些支路進行監視，譬如生產線、辦公樓、空調等等進行全方位的監視，這樣方便工廠了解各項數據，以便制定更詳細的節能方案。

        該項目整個ZigBee無線電能管理系統采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖8.3為ZigBee無線電能管理系統中的通信圖，它列出了整個系統包含的所有表計。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。

圖8.3 ZigBee無線電能管理系統通信圖

        整個系統運行良好，已經在現場運行了一段時間。圖8.4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，從而反映整個廠區的負荷情況。

圖8.4 一段時間內主進線電流趨勢圖

        圖8.5為一段時間內的進線回路各項參數的具體數值，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。整個廠區各回路電能匯總如圖8.6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。

9 總結

        隨著無線通信及ZigBee技術的迅速發展，基于ZigBee的電能管理系統也將漸漸得到人們的關注。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，而且組網靈活性很高，在電能管理系統中應用前景非常廣泛，而且在智能電網領域內也有著廣泛的應用前景。

        介紹的ZigBee無線模塊在ZigBee無線電能系統中得到了成功的應用，整個系統很好地對廠區中各路進線回路進行了監測，并能真實的反映廠區的負荷情況。安科瑞公司將生產智能電力儀表各工段能耗及整機能耗，逐年比對，查找高能耗因數，列入整改，使儀表生產能耗逐年下降，為節能減排做出應有的貢獻。而為了使ZigBee無線電能管理系統能更好地發揮它的優勢，還需不斷優化系統中的軟硬件設備。

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