物聯網(Zigbee)無線網路電能管理系統:介紹,技術特點,性能參數,接線方式,外

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、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合於自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。

基本介紹

中文名：物聯網無線網路電能管理系統概述
外文名：Zigbee

介紹,技術特點,性能參數,接線方式,外形與安裝尺寸(mm),無線系統體系結構,無線抄表解決方案,基於ZigBee電能管理系統的套用實例,總結,

介紹

由於ZIGBEE的優越特性，基於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。適合套用於一些短距離的無線網路的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網路，適用於企業內部能耗監測及管理系統，尤其適用於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乙太網和GPRS/CDMA上行信道結合，與後台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與其他最後一公里通訊技術比較見表1。

ZIGBEE與其他“最後一公里”技術的比較表1

	PLC	RS485	ZIGBEE無線
建網難度	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
實時監控	不能	能	能

技術特點

ZIGBEE協定基於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路類型，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，具有很強的網路健壯性和系統可靠性。與目前普遍套用的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網路拓撲分類

(1)工作周期短、收發信息功耗較低，並且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)採用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。

(2)低成本。通過大幅簡化協定(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套用需求。ZIGBEE的回響速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連線進入網路只需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。傳輸範圍一般介於10～100 m，在增加RF發射功率後，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，擴展後達到幾百米甚至幾公里。ZIGBEE可採用星狀、片狀和網狀網路結構。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)採用CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為需要固定頻寬的通信業務預留了專用時隙，避免了傳送數據時的競爭和衝突。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採用高級加密標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(6)免執照頻段。採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)。

性能參數

Zigbee採集器/終端主要參數見表3。

表3

型號參數	ANEZB-485 ZIGBEE採集器	ANEZB-GTW ZIGBEE網路終端
無線
頻率範圍	2.41GHz~2.48GHz
RF信道	16
接收靈敏度	-94dbm
發射功率	-27dbm~25dbm
天線	外置SMA天線
網路拓撲	網狀
定址方式	IEEE802.15.4/ZIGBEE標準地址
網路容量	最大255個節點
通信接口
通信接口	RS485	工業乙太網
波特率	9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選；
通信協定	MODBUS-RTU協定
LED指示
網路狀態指示	綠燈
POWER指示	紅燈
數據指示	綠燈
電源
輔助電源	220V AC
功耗	4W
電磁兼容	浪涌電壓4000V
快速瞬變群脈衝4000V
靜電8000V
機械尺寸	89×76×74mm
工作溫度	-20℃~65℃
儲藏溫度	-40℃~85℃

接線方式

4.1 ZIGBEE採集器見圖4.1

外形與安裝尺寸(mm)

5.1 ZIGBEE採集器見圖5.1。

5.2 ZIGBEE網路終端見圖5.2。

無線系統體系結構

圖6為無線通信抄表系統網路拓撲圖，整個網路主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網路、遠方通信網路以及數據交換設備。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，整個網路也由計量儀表、ZIGBEE採集器（負責與計量儀表之間的通信）、ZIGBEE網路終端（負責與上層通訊網路的對接，譬如工業太網等）、上層通信網路和數據交換存儲設備。ZIGBEE無線通信抄表系統一般採用的組網方式是MESH的網狀網路，MESH網路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。

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。基於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。由於ZIGBEE的定位是短距離的通信，套用於寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網路時，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，主要由上行網路工業乙太網和下行網路ZIGBEE無線區域網路組成。整個子網主要由電錶、ZIGBEE採集器以及ZIGBEE網路終端組成。電錶可以採用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網路電力儀表等，它們與ZIGBEE採集器之間採用RS485通訊，採用MODBUS通信協定；ZIGBEE採集器下面最多可以連線32個表；由於MODBUS地址有限，整個ZIGBEE子網中最多能連線255個表；為了保障通信連線的可靠性，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路節點（ZIGBEE採集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節點的通信正常；另外考慮到無線網路的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網中的無線節點（即ZIGBEE採集器）的個數不應大於60個，這樣能保證網路中的通信質量。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。

基於ZigBee電能管理系統的套用實例

圖8.1為ZigBee電能管理系統，遠程通信網路採用工業乙太網絡，網路中電錶的通信協定採用MODBUS-RTU協定。整個系統中監控主機通過乙太網按照TCP/IP協定把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網路中心節點，網路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無線網路中的各個ZigBee採集器，通過ZigBee採集器傳遞給485匯流排上的各個表計，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裡的各個分項的能耗，以制定出往後能耗管理方案，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迴路進行監控，並全部使用ZigBee採集模組進行數據採集監控，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無線電能管理系統採用的無線模組為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匯流排連線到一個ZigBee採集模組進行無線通信，各個空調插座由於比較分散，各採用一個ZigBee採集模組，等等。具體視表計的離散情況，集中在一起的用485匯流排連線一個模組，分散的分別連線一個模組。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迴路各項參數的具體數值，它詳細地記錄了進線迴路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數。整個廠區各迴路電能匯總如圖8.6所示，它記錄了一段時間內各個迴路的耗電情況，包括各迴路進行櫃的總電能及分支電能。

總結

隨著無線通信及ZigBee技術的迅速發展，基於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，在電能管理系統中套用前景非常廣泛，而且在智慧型電網領域內也有著廣泛的套用前景。

介紹的ZigBee無線模組在ZigBee無線電能系統中得到了成功的套用，整個系統很好地對廠區中各路進線迴路進行了監測，並能真實的反映廠區的負荷情況。安科瑞公司將生產智慧型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，還需不斷最佳化系統中的軟硬體設備。

物聯網(Zigbee)無線網路電能管理系統