ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案
1.概述
隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為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)。--ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案
由于ZigBee的優(yōu)越特性，基于ZigBee技術(shù)的無線組網(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線網(wǎng)絡(luò)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(luò)，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)的解決方案。ZigBee與其他后一公里通訊技術(shù)比較見表1。
| | 載波 | RS485 | ZigBee無線 |
| 建網(wǎng)難度 | 簡(jiǎn)單 | 困難 | 簡(jiǎn)單 |
| 一次性投資 | 小 | 一般 | 較大 |
| 運(yùn)行維護(hù) | 困難 | 比較困難 | 容易 |
| 通信速度 | 低 | 高 | 高 |
| 可靠性 | 差 | 一般 | 好 |
| 實(shí)時(shí)監(jiān)控 | 不能 | 能 | 能 |
表1 ZigBee與其他“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(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(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等短距離無線通訊技術(shù)相比較，ZigBee的特點(diǎn)主要有：
圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?/p>
(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)，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**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)**模式，包括無**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**加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard，AES)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其**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(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)表計(jì)的選型方案
| 應(yīng)用場(chǎng)合 | | 型號(hào) | 主要功能 |
| 高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜 | | ACR330ELH | LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數(shù)、電話波形因子、電流K系數(shù)、電壓與電流不平衡度計(jì)算；電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量（含負(fù)序電流）測(cè)量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報(bào)警）；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約 |
| 低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜 | | ACR220EL | LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、需量統(tǒng)計(jì)；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議 |
| 動(dòng)力柜 | | ACR120EL | LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、需量統(tǒng)計(jì)；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協(xié)議 |
| | DTSD1352 (ADL3000) | LCD顯示、全電參量測(cè)量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、需量統(tǒng)計(jì)；電流規(guī)格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選 |
| 照明箱 | | DTSF1352 (ADL300) | 電流規(guī)格1.5(6)A、 5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T 645規(guī)約可選 | 三相電能計(jì)量 |
| DDSF1352 (ADL100) | 電流、電壓測(cè)量；單相電能計(jì)量 |
| DDSD1352 | 電流規(guī)格10(60)A、可編程、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協(xié)議或DL/T645規(guī)約可選 | 全電參量測(cè)量 （I、U、P、Q、S、PF、F） 單相電能計(jì)量 |
| 數(shù)據(jù)無線傳輸 | | ANEZB-485 ZIGBEE采集器 | 采集來自485總線上的數(shù)據(jù)、完成485信號(hào)轉(zhuǎn)成無線信號(hào)、導(dǎo)軌式安裝 |
| | ANEZB-GTW ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端 | 接收來自以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)、完成以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)成無線信號(hào)、導(dǎo)軌式安裝 |
3.1 ZigBee采集器/終端主要參數(shù)見表2。
表2
| 型號(hào) 參 數(shù) | ANEZB-485 ZigBee采集器 | ANEZB-GTW ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端 |
| 無線 |
| 頻率范圍 | 2.41GHz~2.48GHz |
| RF信道 | 16 |
| 接收靈敏度 | -94dbm |
| 發(fā)射功率 | -27dbm~25dbm |
| 天 線 | 外置SMA天線 |
| 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/div> | 網(wǎng)狀 |
| 尋址方式 | IEEE802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)地址 |
| 網(wǎng)絡(luò)容量 | 255個(gè)節(jié)點(diǎn) |
| 通信接口 |
| 通信接口 | RS485 | 工業(yè)以太網(wǎng) |
| 波特率 | 9600bps（默認(rèn)）、4800bps、2400bps、1200bps可選； |
| 通信協(xié)議 | MODBUS-RTU協(xié)議 |
| LED指示 |
| 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示 | 綠燈 |
| POWER指示 | 紅燈 |
| 數(shù)據(jù)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?nèi)好}沖4000V |
| 靜電8000V |
| 機(jī)械尺寸 | 89×76×74mm |
| 工作溫度 | -20℃~65℃ |
| 儲(chǔ)藏溫度 | -40℃~85℃ |
3.2 ZigBee采集器 見圖3.2
圖3.2 ANEZB-485采集器接線
3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端 見圖3.3
圖3.3 ANEZG-GTW網(wǎng)絡(luò)終端接線圖
4 ZigBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)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(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯igBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)也不會(huì)脫離這個(gè)約束，它也會(huì)由環(huán)境、距離和場(chǎng)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(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它所考慮的因素相對(duì)要少。
圖4為ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖，整個(gè)系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)子網(wǎng)主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(luò)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采集器下面多可以連接32個(gè)表;由于MODBUS地址有限，整個(gè)ZigBee子網(wǎng)中多能連接255個(gè)表;為了保障通信連接的可靠性，有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個(gè)路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ZigBee采集器配置成路由功能)，以保證有些孤遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信正常;另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸，建議整個(gè)子網(wǎng)中的無線節(jié)點(diǎn)(即ZigBee采集器)的個(gè)數(shù)不應(yīng)大于60個(gè)，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個(gè)ZigBee子網(wǎng)都有各自的ID識(shí)別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。
圖4 ZigBee無線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖
5 應(yīng)用實(shí)例
圖5.1為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個(gè)系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)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(luò)中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)再通過單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(luò)中的各個(gè)ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個(gè)表計(jì)，如果表計(jì)的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，通過原路返回給監(jiān)控主機(jī)。
整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇等的各個(gè)分項(xiàng)的電能計(jì)量，譬如一個(gè)廠區(qū)路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報(bào)表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)間內(nèi)的各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項(xiàng)的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。
目前整個(gè)系統(tǒng)在江蘇安科瑞實(shí)施運(yùn)行，按照分項(xiàng)計(jì)量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，圖5.2就是該廠區(qū)的配電圖，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監(jiān)控，并全部使用ZigBee采集模塊進(jìn)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(jiǎn)單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對(duì)一些支路進(jìn)行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。
圖5.2 廠區(qū)配電圖
該項(xiàng)目整個(gè)ZigBee能源管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個(gè)，包括各類表記82個(gè)塊。圖5.3為ZigBee能源管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個(gè)系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個(gè)表通過485總線連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無線通信，各個(gè)空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個(gè)ZigBee采集模塊，等等。具體視表計(jì)的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個(gè)模塊，分散的分別連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。
圖5.3 ZigBee能源管理系統(tǒng)通信圖
整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了一段時(shí)間。圖5.4為一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖，它實(shí)時(shí)反映了工廠這段時(shí)間內(nèi)的電流情況，從而反映整個(gè)廠區(qū)的負(fù)荷情況。
圖5.4 一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖
圖5.5為一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細(xì)地記錄了進(jìn)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(gè)廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D5.6所示，它記錄了一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。
6 系統(tǒng)報(bào)價(jià) 單位：元(RMB)
| 名稱 | 型號(hào) | 單位 | 面價(jià) | 備注 |
| 監(jiān)控主機(jī) | IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設(shè) | 臺(tái) | 8500 | 均可用戶自備，以當(dāng)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn)，該報(bào)價(jià)僅供參考 |
| 顯示器 | 三星19寸液晶顯示器 | 臺(tái) | 3000 |
| 三星22寸液晶顯示器 | 臺(tái) | 3800 |
| 打印機(jī) | HP LaserJet 1020 A4 | 臺(tái) | 2500 |
| EPSON-LQ1600KIIIH A3 | 臺(tái) | 4000 |
| UPS電源 | 山特C1KS | 臺(tái) | 5000 |
| 山特C2KS | 臺(tái) | 6500 |
| 通訊機(jī)柜 | 1200×600×600 | 面 | 3000 |
| 2200×600×600 | 面 | 5000 |
| 通訊轉(zhuǎn)換 | 擴(kuò)展卡ACRNET-PCI/4 | 塊 | 3000 | 擴(kuò)展卡 |
| 串口服務(wù)器ACRNET-PORT(2口) | 只 | 3000 | 串口服務(wù)器 |
| 串口服務(wù)器ACRNET-PORT(4口) | 只 | 5500 |
| 通訊前置機(jī)ACRNET-UC02(2口) | 只 | 4000 | 通訊前置機(jī) |
| 通訊前置機(jī)ACRNET-UC04(4口) | 只 | 6000 |
| 通訊前置機(jī)ACRNET-UC08(8口) | 只 | 11500 |
| 通訊管理機(jī)ACRHMI | 臺(tái) | 30000 | 人機(jī)界面 |
| 組網(wǎng)設(shè)備 | 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)EDS-208 | 臺(tái) | 3000 | 局域組網(wǎng) |
| 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)EDS-408 | 臺(tái) | 8500 |
| 監(jiān)控軟件 | Acrel監(jiān)控組態(tài)軟件V6.0 | 系統(tǒng)組態(tài)軟件 圖形組態(tài)軟件 電能管理軟件 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件 | 套 | 3萬 | 設(shè)備數(shù)量1～10 |
| 4萬 | 設(shè)備數(shù)量11～20 |
| 6萬 | 設(shè)備數(shù)量21～40 |
| 8萬 | 設(shè)備數(shù)量41～80 |
| 10萬元以上 | 設(shè)備數(shù)量80以上 |
| 雙機(jī)版 | | 套 | | 單機(jī)價(jià)格×1.5 |
| 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) | 每+1用戶 | 套 | 3000 | |
| Web發(fā)布 | 每+1用戶（總用戶數(shù)≤5） | 套 | 5000 | |
| ZigBee 無線模塊 | ANEZB-485 | 臺(tái) | 1200 | |
| ANEZB-GTW | 臺(tái) | 1500 | |
| 電力儀表 | ACR330ELH | 臺(tái) | 4860 | |
| ACR220ELH | 臺(tái) | 4280 | |
| ACR120ELH | 臺(tái) | 3580 | |
| 導(dǎo)軌式安裝電表 | DTSD1352 | 臺(tái) | 2050 | |
| DTSF1352 | 臺(tái) | 1200 | |
| DDSF1352 | 臺(tái) | 600 | |
| DDSD1352 | 臺(tái) | 2950 | |
注：ZigBee無線模塊、電力儀表、導(dǎo)軌式安裝電表可按上述報(bào)價(jià)的70%優(yōu)惠供應(yīng)。
7 結(jié)束語(yǔ)
ZigBee技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊的十大技術(shù)中的一個(gè)，ZigBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)省電、可靠、成本低、容量大、**，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。
作者簡(jiǎn)介：
師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芙ㄖ┡潆姳O(jiān)控系統(tǒng)
QQ：2880157874 T：0510-86189390 M:18860995120 F:0510-86179930 E-MAIL:2880157874@qq.com
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