ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)

 

1 概述

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術，稱之為ZIGBEE，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯(lián)網(wǎng)。

由于ZIGBEE的優(yōu)越特性，基于ZIGBEE技術的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應用于一些短距離的無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等，適用于企業(yè)內部能耗監(jiān)測及管理系統(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上行信道結合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。ZIGBEE與其他“*后一公里”技術比較見表1。

	載波PLC	RS485	ZIGBEE無線
建網(wǎng)難度	簡單	困難	簡單
一次性投資	小	一般	較大
運行維護	困難	比較困難	容易
通信速度	低	高	高
可靠性	差	一般	好
實時監(jiān)控	不能	能	能

 

2 ZIGBEE技術特點

ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布ZIGBEE V1．0到*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(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)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：

 

圖2 ZIGBEE網(wǎng)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，簡化功能器件)采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。

(2)低成本。通過大幅簡化協(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(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。

(3)低速率、短延時。ZIGBEE的*大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)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(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)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(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，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)絡結構。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，*多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。

(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的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZIGBEE還提供了3級**模式，包括無**設定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用**加密標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其**屬性。

(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)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 ZIGBEE(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)的體系結構

圖3為ZIGBEE(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖，整個網(wǎng)絡主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網(wǎng)絡、遠方通信網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)交換設備。整個網(wǎng)絡由計量儀表、ZIGBEE采集器（負責與儀表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡終端（負責與上層通訊網(wǎng)絡的對接，譬如工業(yè)以太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)交換存儲設備。ZIGBEE無線通信管理系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，MESH網(wǎng)絡能更好得保證通信質量，保證單一節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。

 

圖3 無線網(wǎng)絡拓撲圖

4 ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)解決方案

安科瑞為生產基地——江蘇安科瑞電器制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(tǒng)，是基于ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡的電能管理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZIGBEE與RS485混合組網(wǎng)模式。

整個廠區(qū)共設8個集中監(jiān)測點，分別位于配電間、層配生產動力柜、空調動力柜、排風機控制箱及位于配電末端的幾個照明控制箱。每個監(jiān)測點各設置無線ZIGBEE采集器一只，通過RS485總線對位于該監(jiān)測點的電能計量儀表進行通訊組網(wǎng)；監(jiān)控中心設置ZIGBEE網(wǎng)絡終端一只，結合現(xiàn)場實際情況及考慮通訊的可靠性，于適當位置設置數(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)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)解決方案組網(wǎng)示意圖

 

 

公司通過建立ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)解決方案的工廠試點工程，對ANEZB無線ZIGBEE通訊模塊的實際參數(shù)進行了驗證。詳細參數(shù)見表2。

參數(shù)			備注
系統(tǒng)容量
工作頻段		2.4GHz	不同信道，不同ID可以組成不同的子網(wǎng)。
無線信道		16個
網(wǎng)絡ID數(shù)		255個
子網(wǎng)容量
ZIGBEE網(wǎng)絡終端		1個	網(wǎng)絡中有時需要犧牲一些ZIGBEE采集器只作中繼路由，防止個別節(jié)點通信不上。
ZIGBEE采集器		≤30個
表計容量		≤254個
條件		穿透距離（單位：米）	備注
空曠無障礙地方傳輸距離		1200
24cm厚磚墻，寬4米的房間		16（3堵墻）	建議安裝在靠近外墻，效果更好。
單堵24cm厚磚墻		40
16cm混凝土樓板，層高4米	向上傳輸	8（2層板）
	向下傳輸	4（1層板）

注2：無線信號穿透能力，往往還會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)

型號 參數(shù)	ANEZB-485ZIGBEE采集器	ANEZB-GTWZIGBEE網(wǎng)絡終端
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)絡拓撲	網(wǎng)狀
尋址方式	IEEE802.15.4/ZIGBEE標準地址
網(wǎng)絡容量	*大255個節(jié)點
通信接口
通信接口	RS485	工業(yè)以太網(wǎng)
波特率	9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選；
通信協(xié)議	MODBUS-RTU協(xié)議
LED指示
網(wǎng)絡狀態(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
	快速瞬變群脈沖4000V
	靜電8000V
機械尺寸	89*76*74
工作溫度	-20℃~65℃
儲藏溫度	-40℃~85℃

6接線方式

6.1 ZIGBEE采集器

              

6.2 ZIGBEE網(wǎng)絡終端

           

7外形與安裝尺寸(mm)

7.1 ZIGBEE采集器

7.2 ZIGBEE網(wǎng)絡終端

7.3 安裝方式

采用35mm標準導軌安裝

 

 

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