Zigbee(物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng) 1 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的越特性，基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線組網(wǎng)是種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于些短距離的無(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，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)程管理提供個(gè)有效的解決方案。ZIGBEE與其他“zui后公里”技術(shù)比較見(jiàn)表1。
表1. ZIGBEE與其他“zui后公里”技術(shù)的比較 | 載波PLC | RS485 | ZIGBEE無(wú)線 | 建網(wǎng)難度 | 簡(jiǎn)單 | 困難 | 簡(jiǎn)單 | 次性投資 | 小 | 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 | 般 | 好 | 實(shí)時(shí)監(jiān)控 | 不能 | 能 | 能 |
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(jiàn)圖2)，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2 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(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zui大通信速率達(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，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)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)。由個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，zui多個(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)以及采用高級(jí)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)(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz()、915 MHz(美)和868 MHz(歐洲)。
3 ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
圖3為無(wú)線通信抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成：計(jì)量?jī)x表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)方通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也繼承了無(wú)線通信抄表系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)與無(wú)線抄表系統(tǒng)大致樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也由計(jì)量?jī)x表、ZIGBEE采集器（負(fù)責(zé)與計(jì)量?jī)x表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端（負(fù)責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接，譬如工業(yè)太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)設(shè)備。ZIGBEE無(wú)線通信抄表系統(tǒng)般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，MESH網(wǎng)絡(luò)能好得保證通信質(zhì)量，保證單節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不影響其他節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)。 
圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
4 ZIGBEE無(wú)線抄表的解決方案
安科瑞為生產(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計(jì)的針對(duì)生產(chǎn)用電進(jìn)行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZIGBEE與RS485混合組網(wǎng)模式。
整個(gè)廠區(qū)共設(shè)8個(gè)集中監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于配電間、層配生產(chǎn)動(dòng)力柜、空調(diào)動(dòng)力柜、排風(fēng)機(jī)控制箱及位于配電末端的幾個(gè)照明控制箱。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各設(shè)置無(wú)線ZIGBEE采集器只，通過(guò)RS485總線對(duì)位于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能計(jì)量?jī)x表進(jìn)行通訊組網(wǎng)；監(jiān)控中心設(shè)置ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端只，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及考慮通訊的可靠性，于適當(dāng)位置設(shè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案組網(wǎng)示意圖 
公司通過(guò)建立ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案的工廠試點(diǎn)工程，對(duì)ANEZB無(wú)線ZIGBEE通訊模塊的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。 表2 ANEZB系列ZIGBEE通訊模塊性能參數(shù)表 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(wú)線信道 | 16個(gè) | 網(wǎng)絡(luò)ID數(shù) | 255個(gè) | 子網(wǎng)容量 | | ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端 | 1個(gè) | 網(wǎng)絡(luò)中有時(shí)需要犧牲些ZIGBEE采集器只作中繼路由，防止個(gè)別節(jié)點(diǎn)通信不上。 | ZIGBEE采集器 | ≤30個(gè) | 表計(jì)容量 | ≤254個(gè) | 條件 | 穿透距離（單位：米） | 備注 | 空曠無(wú)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1：以上表中數(shù)據(jù)是試點(diǎn)工程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)際情況實(shí)施時(shí)，應(yīng)視樓宇實(shí)際結(jié)構(gòu)而定。
注2：無(wú)線信號(hào)穿透能力，往往還會(huì)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) | ANEZB-485 | ANEZB-GTW | | ZIGBEE采集器 | 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)?/td> | 網(wǎng)狀 | | 尋址方式 | IEEE802.15.4/ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)地址 | | 網(wǎng)絡(luò)容量 | zui大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*74 | | 工作溫度 | -20℃~65℃ | | 儲(chǔ)藏溫度 | -40℃~85℃ |
6 接線方式
6.1 ZIGBEE采集器 
6.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端
7 外形與安裝尺寸(mm)
7.1 ZIGBEE采集器 
7.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端
7.3 安裝方式
采用35mm標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝 
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