ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案

出處：wwwlhjcom 發(fā)布于：2011-05-11 00:00:00 | 1785 次閱讀

一．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、工廠等無(wú)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)有效的解決方案。ZigBee與其他一公里通訊技術(shù)比較見(jiàn)表1。

	載波	RS485	ZigBee無(wú)線
建網(wǎng)難度	簡(jiǎn)單	困難	簡(jiǎn)單
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“一公里”技術(shù)的比較

二．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(jiàn)圖1），它支持3種主要的自組織無(wú)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(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1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?/SPAN>

（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)以及采用加密標(biāo)準(zhǔn)（AdvancedEncryption Standard，AES）的對(duì)稱密碼，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（）、915 MHz（美國(guó)）和868 MHz（歐洲）。

三 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)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(guò)壓、欠壓、過(guò)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(wú)線傳輸	ANEZB-485 ZIGBEE采集器	采集來(lái)自485總線上的數(shù)據(jù)、完成485信號(hào)轉(zhuǎn)成無(wú)線信號(hào)、導(dǎo)軌式安裝
	ANEZB-GTW ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端	接收來(lái)自以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)、完成以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)成無(wú)線信號(hào)、導(dǎo)軌式安裝

3.1 ZigBee采集器/終端主要參數(shù)見(jiàn)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(wú)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(jiàn)圖3.2

圖3.2 ANEZB-485采集器接線

3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端見(jiàn)圖3.3

圖3.3 ANEZG-GTW網(wǎng)絡(luò)終端接線圖

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

不管是有線還是無(wú)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?；?SPAN>ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)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(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)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(wú)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(wú)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(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(wú)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(wú)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(wú)線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖

五應(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(guò)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(guò)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(wú)線網(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(guò)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(kāi)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5.1 ZigBee能源管理系統(tǒng)

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(wú)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(guò)485總線連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無(wú)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(lái)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(wú)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。

圖5.5 一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)

圖5.6 各回路電能匯總

六系統(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(wàn)	設(shè)備數(shù)量1～10
				4萬(wàn)	設(shè)備數(shù)量11～20
				6萬(wàn)	設(shè)備數(shù)量21～40
				8萬(wàn)	設(shè)備數(shù)量41～80
				10萬(wàn)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(wú)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(wú)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)。

七結(jié)束語(yǔ)

ZigBee技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快，市場(chǎng)前景最廣闊的十大技術(shù)中的一個(gè)，ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。

作者簡(jiǎn)介：

1、趙斌，研究方向?yàn)槟茉垂芾硐到y(tǒng)、變配電智能監(jiān)控技術(shù)

Tel:021-69158305 13917437076 Fax: 021-69158302 Email:acrelsh@126.com

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