Zigbee(物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)

1  概述
    隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱(chēng)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(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)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(wú)線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)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(tái)管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個(gè)有效的解決方案。ZIGBEE與其他“最后一公里”技術(shù)比較見(jiàn)表1。

表1. ZIGBEE與其他“最后一公里”技術(shù)的比較

2  ZIGBEE技術(shù)特點(diǎn)
    ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZIGBEE V1．0到最新的增加了ZIGBEE-PRO擴(kuò)展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不斷強(qiáng)大。ZIGBEE具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見(jiàn)圖2)，它支持3種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹(shù)型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)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(wú)線通訊技術(shù)相比較，ZIGBEE的特點(diǎn)主要有：

 圖2  ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?lèi)

(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡(jiǎn)化功能器件)采用了休眠模式，不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。
(2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時(shí)。ZIGBEE的最大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2．4 GHz時(shí))，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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)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(diǎn)間的距離，若通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，擴(kuò)展后達(dá)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
(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(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。ZIGBEE還提供了3級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard，AES)的對(duì)稱(chēng)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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)。

3  ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
    圖3為無(wú)線通信抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成：計(jì)量?jī)x表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)方通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也繼承了無(wú)線通信抄表系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)與無(wú)線抄表系統(tǒng)大致一樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也由計(jì)量?jī)x表、ZIGBEE采集器（負(fù)責(zé)與計(jì)量?jī)x表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端（負(fù)責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接，譬如工業(yè)太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)設(shè)備。ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，MESH網(wǎng)絡(luò)能更好得保證通信質(zhì)量，保證單一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)。

圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4  ZIGBEE無(wú)線抄表的解決方案
    安科瑞為生產(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計(jì)的針對(duì)生產(chǎn)用電進(jìn)行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZIGBEE與RS485混合組網(wǎng)模式。
    整個(gè)廠區(qū)共設(shè)8個(gè)集中監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于配電間、層配生產(chǎn)動(dòng)力柜、空調(diào)動(dòng)力柜、排風(fēng)機(jī)控制箱及位于配電末端的幾個(gè)照明控制箱。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各設(shè)置無(wú)線ZIGBEE采集器一只，通過(guò)RS485總線對(duì)位于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能計(jì)量?jī)x表進(jìn)行通訊組網(wǎng)；監(jiān)控中心設(shè)置ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端一只，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及考慮通訊的可靠性，于適當(dāng)位置設(shè)置數(shù)只ZIGBEE中繼路由器。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意如圖4

圖4  ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案組網(wǎng)示意圖

    公司通過(guò)建立ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案的工廠試點(diǎn)工程，對(duì)ANEZB無(wú)線ZIGBEE通訊模塊的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 ANEZB系列ZIGBEE通訊模塊性能參數(shù)表

 

 

注1：以上表中數(shù)據(jù)是試點(diǎn)工程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)際情況實(shí)施時(shí)，應(yīng)視樓宇實(shí)際結(jié)構(gòu)而定。
注2：無(wú)線信號(hào)穿透能力，往往還會(huì)受到如房間堆放物品的數(shù)量，堆放物品的高度等影響。    
 

5  性能參數(shù)

 

6 接線方式
6.1   ZIGBEE采集器

                 
6.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端

              
 

7 外形與安裝尺寸(mm)
7.1  ZIGBEE采集器

 
7.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端

 
 

7.3  安裝方式
采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝