4、ZigBee(物聯網)無線網絡電能(néng)管理系統
産品詳情
4.4，ZigBee(物聯網)無線網絡電能(néng)管理系統
物聯網(Zigbee)無線網絡電能(néng)管理系統
随著(zhe)無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現了面(miàn)向(xiàng)低成(chéng)本設備無線聯網要求的技術，稱之爲ZIGBEE，它是一種(zhǒng)近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成(chéng)本的雙向(xiàng)無線通信技術，主要适合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網。
中文名：物聯網無線網絡電能(néng)管理系統概述
外文名：Zigbee
目錄
1 介紹
2 技術特點
4 接線方式
6 無線系統體系結構
7 無線抄表解決方案
9 總結
介紹
随著(zhe)無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現了面(miàn)向(xiàng)低成(chéng)本設備無線聯網要求的技術，稱之爲ZIGBEE，它是一種(zhǒng)近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成(chéng)本的雙向(xiàng)無線通信技術，主要适合于自動控制、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(zhǒng)比較合适的下行信道(dào)的實現手段。适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，适用于企業内部能(néng)耗監測及管理系統，尤其适用于一些布線困難舊樓改造的能(néng)耗管理系統中。而若將(jiāng)其與成(chéng)熟的工業以太網和GPRS/CDMA上行信道(dào)結合，與後(hòu)台管理主站組成(chéng)一個完整的集抄和監控系統，則可以爲遠程管理提供一個有效的解決方案。Zigbee與其他最後(hòu)一公裡(lǐ)通訊技術比較見表1。
ZIGBEE與其他“最後(hòu)一公裡(lǐ)”技術的比較 表1
ZIGBEE協議基于IEEE 802.15.4标準，從2004年發(fā)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(néng)不斷強大。ZIGBEE具備強大的設備聯網功能(néng)(見圖2)，它支持3種(zhǒng)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)，特别是網狀結構，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：技術特點
圖2ZIGBEE網絡拓撲分類
圖2 ZIGBEE網絡拓撲分類
(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能(néng)器件)采用了休眠模式，不工作時(shí)都(dōu)可以進(jìn)入睡眠模式。
(2)低成(chéng)本。通過(guò)大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能(néng)的主節點需要32KB代碼，子功能(néng)節點少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時(shí)。ZIGBEE的最大通信速率達到250 kb/s(工作在2．4 GHz時(shí))，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态隻需15ms，節點連接進(jìn)入網絡隻需30ms，進(jìn)一步節省了電能(néng)。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距離，高容量。傳輸範圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率後(hòu)，亦可增加到1~3 km。這(zhè)指的是相鄰節點間的距離，若通過(guò)路由和節點間通信的接力，擴展後(hòu)達到幾百米甚至幾公裡(lǐ)。ZIGBEE可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節點管理若幹子節點，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(shí)爲需要固定帶寬的通信業務預留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競争和沖突。ZIGBEE還(hái)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标準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對(duì)稱密碼，以靈活确定其安全屬性。
(6)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學(xué)醫療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分别爲2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)。
性能(néng)參數
Zigbee采集器/終端主要參數見表3。
表3
4.1 ZIGBEE采集器 見圖4.1
外形與安裝尺寸(mm)
5.1 ZIGBEE采集器 見圖5.1。
圖5.2 ANEZB-GTW網絡終端外形及尺寸
5.2 ZIGBEE網絡終端 見圖5.2。
無線系統體系結構
圖6爲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(chéng)：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緻一樣(yàng)，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(duì)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(néng)更好(hǎo)得保證通信質量，保證單一節點出現故障時(shí)不影響其他節點通信狀态。
無線抄表解決方案
不管是有線還(hái)是無線，抄表系統總會(huì)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(huì)脫離這(zhè)個約束，它也會(huì)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(shí)，它所考慮的因素相對(duì)要少。
圖7爲ZIGBEE無線集抄系統單個子網組成(chéng)示意圖，整個系統前面(miàn)闡述的系統體系結構的組成(chéng)一樣(yàng)，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(chéng)。整個子網主要由電表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE網絡終端組成(chéng)。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能(néng)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(miàn)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(néng)連接255個表；爲了保障通信連接的可靠性，有的時(shí)候要視環境和距離的情況，需要多加幾個路由功能(néng)的網絡節點（ZIGBEE采集器配置成(chéng)路由功能(néng)），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(shí)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(zhè)樣(yàng)能(néng)保證網絡中的通信質量。每個ZIGBEE子網都(dōu)有各自的ID識别和頻段的劃分，這(zhè)樣(yàng)可以幫助擴充更多的表計數。
基于ZigBee電能(néng)管理系統的應用實例
圖8.1爲ZigBee電能(néng)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(guò)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(guò)單點對(duì)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(guò)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複，通過(guò)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(néng)計量，譬如一個廠區路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生産線的耗電量等等，還(hái)可以以報表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)間内的各個分項能(néng)耗占總能(néng)耗的百分比，以便工廠了解這(zhè)段時(shí)間裡(lǐ)的各個分項的能(néng)耗，以制定出往後(hòu)能(néng)耗管理方案，已達到節能(néng)減耗的效果。
目前整個系統在實施運行，按照分項計量的原則，把廠區内的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項計量，圖8.2就(jiù)是該廠區的配電圖，整個系統對(duì)所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監控，并全部使用ZigBee采集模塊進(jìn)行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能(néng)等參數，及一些簡單的開(kāi)關量的控制。系統還(hái)對(duì)一些支路進(jìn)行監視，譬如生産線、辦公樓、空調等等進(jìn)行全方位的監視，這(zhè)樣(yàng)方便工廠了解各項數據，以便制定更詳細的節能(néng)方案。
圖8.2 廠區配電圖
該項目整個ZigBee無線電能(néng)管理系統采用的無線模塊爲21個，包括各類表記82個塊。圖8.3爲ZigBee無線電能(néng)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(guò)485總線連接到一個ZigBee采集模塊進(jìn)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(qǐ)的用485總線連接一個模塊，分散的分别連接一個模塊。以這(zhè)樣(yàng)的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。
圖8.3 ZigBee無線電能(néng)管理系統通信圖
整個系統運行良好(hǎo)，已經(jīng)在現場運行了一段時(shí)間。圖8.4爲一段時(shí)間内主進(jìn)線電流趨勢圖，它實時(shí)反映了工廠這(zhè)段時(shí)間内的電流情況，從而反映整個廠區的負荷情況。
圖8.4 一段時(shí)間内主進(jìn)線電流趨勢圖
圖8.4 一段時(shí)間内主進(jìn)線電流趨勢圖
圖8.5爲一段時(shí)間内的進(jìn)線回路各項參數的具體數值，它詳細地記錄了進(jìn)線回路三相電壓、電流、有功電能(néng)、無功能(néng)電能(néng)、功率因素、頻率參數。整個廠區各回路電能(néng)彙總如圖8.6所示，它記錄了一段時(shí)間内各個回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行櫃的總電能(néng)及分支電能(néng)。
圖8.6 各回路電能(néng)彙總
總結
随著(zhe)無線通信及ZigBee技術的迅速發(fā)展，基于ZigBee的電能(néng)管理系統也將(jiāng)漸漸得到人們的關注。ZigBee可以很好(hǎo)的解決有線通信方式布線難度大、成(chéng)本高、不易維護和升級等問題，而且組網靈活性很高，在電能(néng)管理系統中應用前景非常廣泛，而且在智能(néng)電網領域内也有著(zhe)廣泛的應用前景。
介紹的ZigBee無線模塊在ZigBee無線電能(néng)系統中得到了成(chéng)功的應用，整個系統很好(hǎo)地對(duì)廠區中各路進(jìn)線回路進(jìn)行了監測，并能(néng)真實的反映廠區的負荷情況。將(jiāng)生産智能(néng)電力儀表各工段能(néng)耗及整機能(néng)耗，逐年比對(duì)，查找高能(néng)耗因數，列入整改，使儀表生産能(néng)耗逐年下降，爲節能(néng)減排做出應有的貢獻。而爲了使ZigBee無線電能(néng)管理系統能(néng)更好(hǎo)地發(fā)揮它的優勢，還(hái)需不斷優化系統中的軟硬件設備。
ZigBee(物聯網) 無線網絡電能(néng)管理系統表計的選型方案
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