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1 概述 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現了面向低成本設備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱(chēng)之為Zigbee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠程控制領(lǐng)域及家用設備聯(lián)網(wǎng)。 由于ZIGBEE的優(yōu)越特性，基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現手段。適合應用于一些短距離的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)，例如寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò )，適用于企業(yè)內部能耗監測及管理系統，尤其適用于一些布線(xiàn)困難舊樓改造的能耗管理系統中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監控系統，則可以為遠程管理提供一個(gè)有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見(jiàn)表1。 ZIGBEE與其他“最后一公里”技術(shù)的比較 表1 
2 技術(shù)特點(diǎn) ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，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功能不斷強大。ZIGBEE具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能(見(jiàn)圖2)，它支持3種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，即星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和樹(shù)型結構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)相比較，ZIGBEE的特點(diǎn)主要有：
(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(diǎn)需要32KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4 KB代碼。 (3)低速率、短延時(shí)。ZIGBEE的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時(shí))，滿(mǎn)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態(tài)只需15ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30ms，進(jìn)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。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離，若通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，擴展后達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 )結構。由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(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的碰撞避免機制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。ZIGBEE還提供了3級安全模式，包括無(wú)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標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性。 (6)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)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)。 3 性能參數 Zigbee采集器/終端主要參數見(jiàn)表3。
4 接線(xiàn)方式 4.1 ZIGBEE采集器，見(jiàn)圖4.1
圖4.1 ANEZB-485采集器接線(xiàn) 4.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )終端，見(jiàn)圖4.2.
圖4.2 ANEZG-GTW網(wǎng)絡(luò )終端接線(xiàn)圖 5 外形與安裝尺寸(mm) 5.1 ZIGBEE采集器，見(jiàn)圖5.1。
圖5.1 ANEZB-485采集器外形及尺寸 5.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )終端，見(jiàn)圖5.2.
圖5.2 ANEZB-GTW網(wǎng)絡(luò )終端外形及尺寸 5.3 安裝方式 采用35mm標準導軌安裝，見(jiàn)圖5.3。
圖5.3 Zigbee模塊安裝方式 6 無(wú)線(xiàn)系統體系結構 圖6為無(wú)線(xiàn)通信抄表系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )主要由四部分組成：計量?jì)x表、本地無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )、遠方通信網(wǎng)絡(luò )以及數據交換設備。ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信抄表系統的體系結構也繼承了無(wú)線(xiàn)通信抄表系統，它的結構與無(wú)線(xiàn)抄表系統大致一樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )也由計量?jì)x表、ZIGBEE采集器（負責與計量?jì)x表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )終端（負責與上層通訊網(wǎng)絡(luò )的對接，譬如工業(yè)太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡(luò )和數據交換存儲設備。ZIGBEE無(wú)線(xiàn)通信抄表系統一般采用的組網(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，保證單一節點(diǎn)出現故障時(shí)不影響其他節點(diǎn)通信狀態(tài)。
圖6 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲圖 7 無(wú)線(xiàn)抄表解決方案 不管是有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)，抄表系統總會(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抄表系統也不會(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，應用于寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò )時(shí)，它所考慮的因素相對要少。 圖7為ZIGBEE無(wú)線(xiàn)集抄系統單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖，整個(gè)系統前面闡述的系統體系結構的組成一樣，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(wú)線(xiàn)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采集器下面最多可以連接32個(gè)表；由于MODBUS地址有限，整個(gè)ZIGBEE子網(wǎng)中最多能連接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 )節點(diǎn)（ZIGBEE采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節點(diǎn)的通信正常；另外考慮到無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)節點(diǎn)（即ZIGBEE采集器）的個(gè)數不應大于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識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。
圖7 ZIGBEE無(wú)線(xiàn)集抄系統單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖 8 基于ZigBee電能管理系統的應用實(shí)例 圖8.1為ZigBee電能管理系統，遠程通信網(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)系統中監控主機通過(guò)以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò )中心節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )中心節點(diǎn)再通過(guò)單點(diǎn)對多點(diǎn)的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)ZigBee采集器，通過(guò)ZigBee采集器傳遞給485總線(xiàn)上的各個(gè)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(guò)原路返回給監控主機。 整個(gè)系統可以監測整個(gè)廠(chǎng)區或整幢樓宇等的各個(gè)分項的電能計量，譬如一個(gè)廠(chǎng)區路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線(xiàn)的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠(chǎng)在一段時(shí)時(shí)間內的各個(gè)分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠(chǎng)了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達到節能減耗的效果。 目前整個(gè)系統在江蘇安科瑞實(shí)施運行，按照分項計量的原則，把廠(chǎng)區內的各路進(jìn)線(xiàn)和出線(xiàn)進(jìn)行分項計量，圖8.2就是該廠(chǎng)區的配電圖，整個(gè)系統對所有的進(jìn)線(xiàn)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、電能等參數，及一些簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的控制。系統還對一些支路進(jìn)行監視，譬如生產(chǎn)線(xiàn)、辦公樓、空調等等進(jìn)行全方位的監視，這樣方便工廠(chǎng)了解各項數據，以便制定更詳細的節能方案。
該項目整個(gè)ZigBee無(wú)線(xiàn)電能管理系統采用的無(wú)線(xiàn)模塊為21個(gè)，包括各類(lèi)表記82個(gè)塊。圖8.3為ZigBee無(wú)線(xiàn)電能管理系統中的通信圖，它列出了整個(gè)系統包含的所有表計。其中配電室的14個(gè)表通過(guò)485總線(xiàn)連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，各個(gè)空調插座由于比較分散，各采用一個(gè)ZigBee采集模塊，等等。具體視表計的離散情況，集中在一起的用485總線(xiàn)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(xiàn)帶來(lái)的困難。
圖8.3 ZigBee無(wú)線(xiàn)電能管理系統通信圖 整個(gè)系統運行良好，已經(jīng)在現場(chǎng)運行了一段時(shí)間。圖8.4為一段時(shí)間內主進(jìn)線(xiàn)電流趨勢圖，它實(shí)時(shí)反映了工廠(chǎng)這段時(shí)間內的電流情況，從而反映整個(gè)廠(chǎng)區的負荷情況。
圖8.4 一段時(shí)間內主進(jìn)線(xiàn)電流趨勢圖 圖8.5為一段時(shí)間內的進(jìn)線(xiàn)回路各項參數的具體數值，它詳細地記錄了進(jìn)線(xiàn)回路三相電壓、電流、有功電能、無(wú)功能電能、功率因素、頻率參數。整個(gè)廠(chǎng)區各回路電能匯總如圖8.6所示，它記錄了一段時(shí)間內各個(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。
9 總結 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信及ZigBee技術(shù)的迅速發(fā)展，基于ZigBee的電能管理系統也將漸漸得到人們的關(guān)注。ZigBee可以很好的解決有線(xiàn)通信方式布線(xiàn)難度大、成本高、不易維護和升級等問(wèn)題，而且組網(wǎng)靈活性很高，在電能管理系統中應用前景非常廣泛，而且在智能電網(wǎng)領(lǐng)域內也有著(zhù)廣泛的應用前景。 介紹的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊在ZigBee無(wú)線(xiàn)電能系統中得到了成功的應用，整個(gè)系統很好地對廠(chǎng)區中各路進(jìn)線(xiàn)回路進(jìn)行了監測，并能真實(shí)的反映廠(chǎng)區的負荷情況。安科瑞公司將生產(chǎn)智能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(chǎn)能耗逐年下降，為節能減排做出應有的貢獻。而為了使ZigBee無(wú)線(xiàn)電能管理系統能更好地發(fā)揮它的優(yōu)勢，還需不斷優(yōu)化系統中的軟硬件設備。 |
