無所不在的物聯網通信時代即將來臨，物聯網被專家及多個國家認為是繼網際網路浪潮之後的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯網將是當下最熱門最具競爭性的產業。傳統的能源管理系統一般需要布設現場匯流排，然後將現場設備連線到一台電腦進行數據處理並向用戶顯示界面，當數據量較大時可能需要單獨的數據處理伺服器，而如果需要實現跨地區的遠程管理，更是需要在網際網路上架設一台專門的伺服器，這樣，不僅需要投入伺服器等網路設備以及開發相應的服務軟體，系統的維護除現場級設備和匯流排鏈路外還需要IT部門的管理員協助維護伺服器設備，避免伺服器故障而造成損失。因此，將物聯網技術引入到遠程能源管理系統中來，底層運用無線感測網路連線現場感測器及設備，上層使用網際網路技術服務，消除現場級布線的煩惱，可以消除網路硬體的投入及日常的IT維護，同時可以輕鬆實現基於WEB服務的遠程管理。
基本介紹
- 中文名：ZigBee（物聯網）電能管理系統
- 外文名：ZigBee
- 別名：物聯網
- 組成：感測器、控制器等數據採集控制
- 接入技術：乙太網、GPRS、3G
- 特點：工作周期短、收發信息功耗較低
概述,定義,組成,技術特點,性能參數,解決方案,
概述
無所不在的物聯網通信時代即將來臨，物聯網被專家及多個國家認為是繼網際網路浪潮之後的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯網將是當下最熱門最具競爭性的產業。傳統的能源管理系統一般需要布設現場匯流排，然後將現場設備連線到一台電腦進行數據處理並向用戶顯示界面，當數據量較大時可能需要單獨的數據處理伺服器，而如果需要實現跨地區的遠程管理，更是需要在網際網路上架設一台專門的伺服器，這樣，不僅需要投入伺服器等網路設備以及開發相應的服務軟體，系統的維護除現場級設備和匯流排鏈路外還需要IT部門的管理員協助維護伺服器設備，避免伺服器故障而造成損失。因此，將物聯網技術引入到遠程能源管理系統中來，底層運用無線感測網路連線現場感測器及設備，上層使用網際網路技術服務，消除現場級布線的煩惱，可以消除網路硬體的投入及日常的IT維護，同時可以輕鬆實現基於WEB服務的遠程管理。
定義
目前國內對物聯網也還沒有一個統一的標準定義，只是在大體的技術框架上做了一個概念性的表述：通過射頻識別（RFID）、感測器、全球定位系統、雷射掃描器等信息感測設備，按約定的協定，把任何物品與網際網路連線起來，進行信息交換和通訊，以實現智慧型化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網路。物聯網就字面意義上理解就是“物物相連的網際網路”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是網際網路，是在網際網路基礎上的延伸和擴展的網路；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。從物聯網本質上看，物聯網是現代信息技術發展到一定階段後出現的一種聚合性套用與技術提升，將各種感知技術、現代網路技術和人工智慧與自動化技術聚合與集成套用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。因為物聯網技術的發展幾乎涉及到了信息技術的方方面面，是一種聚合性、系統性的創新套用與發展，也因此才被稱為是信息技術的第三次革命性創新。物聯網的本質概括起來主要體現在三個方面：一是網際網路特徵，即對需要聯網的物一定要能夠實現互聯互通的網際網路；二是識別與通信特徵，即納入物聯網的“物”一定要具備自動識別與物物通信的功能；三是智慧型化特徵，即網路系統應具有自動化、自我反饋與智慧型控制的特點。
組成
ZigBee的結構主要由三大塊組成：
一、包括各類感測器、控制器等數據採集控制設備，及構成這些設備互聯的底層感測網路組成的設備感知層。感知層中的智慧型終端、智慧型感測器、射頻識別，以及感測網路，組成了物聯網的底層基礎。
二、將底層感測器數據傳輸到網際網路上的網路層。網路層運用各種接入技術：如乙太網、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛星通訊等，最終接入網際網路。雲技術強大的存儲、查詢、計算能力，也都歸屬在這一層。
三、根據客戶自身需求，利用感知數據或狀態為用戶提供有效的特定服務的套用層。套用層是對感知數據的一種特定形式的呈現。
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，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等短距離無線通信技術相比較，ZigBee的特點主要有。
ZigBee網路拓撲分類
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。
(3)低速率、短延時。ZigBee的最大通信速率達到250 kb/s(工作在2.4GHz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3～10S、Wi-Fi需3S。
(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1~3km。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(Advanced Encryption 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2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。
性能參數
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee採集器和ANEZB-GTW ZigBee網路終端為例，其主要參數見表：
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℃ | |
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、宿舍樓和工廠等無線抄表網路時，它所考慮的因素相對要少。ZigBee無線集抄系統單個子網組成的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通信，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。
從ZigBee電能管理系統中看，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。
ZigBee電能管理系統
ZigBee電能管理系統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。
安科瑞（Acrel）為生產基地——江蘇安科瑞電器製造有限公司設計的針對生產用電進行管理的電能管理分析系統，是基於ZigBee（物聯網）無線網路的電能管理系統，整個系統的組網採用ZigBee與RS485混合組網模式。
ZigBee（物聯網）無線網路的電能管理系統
ZigBee（物聯網）無線網路的電能管理系統整個廠區共設8個集中監測點，分別位於配電間、層配生產動力櫃、空調動力櫃、排風機控制箱及位於配電末端的幾個照明控制箱。每個監測點各設定無線ZigBee採集器一隻，通過RS485匯流排對位於該監測點的電能計量儀表進行通訊組網；監控中心設定ZigBee網路終端一隻，結合現場實際情況及考慮通訊的可靠性，於適當位置設定數隻ZigBee中繼路由器。
