物联网（Zigbee）无线网络电能管理系统
1 概述
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZIGBEE，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。
由于ZIGBEE的优越特性，基于ZIGBEE技术的无线组网是一种比较合适的下行信道的实现手段。适合应用于一些短距离的无线网络的组网，例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络，适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中。而若将其与成熟的工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，与后台管理主站组成一个完整的集抄和监控系统，则可以为远程管理提供一个有效的解决方案。Zigbee与其他最后一公里通讯技术比较见表1。
ZIGBEE与其他“最后一公里”技术的比较 表1
PLC
RS485
ZIGBEE无线
建网难度
简单
困难
简单
一次性投资
小
一般
较大
运行维护
困难
比较困难
容易
通信速度
低
高
高
可靠性
差
一般
好
实时监控
不能
能
能
2技术特点
ZIGBEE协议基于IEEE 802.15.4标准，从2004年发布ZIGBEE V1．0到最新的增加了ZIGBEE-PRO扩展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不断强大。ZIGBEE具备强大的设备联网功能(见图2)，它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(Cluster Tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。与目前普遍应用的wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较，ZIGBEE的特点主要有：
图2 ZIGBEE网络拓扑分类
图2 ZIGBEE网络拓扑分类
(1)工作周期短、收发信息功耗较低，并且RFD(Reduced Function Device，简化功能器件)采用了休眠模式，不工作时都可以进入睡眠模式。
(2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4 KB代码。
(3)低速率、短延时。ZIGBEE的最大通信速率达到250 kb/s(工作在2．4 GHz时)，满足低速率传输数据的应用需求。ZIGBEE的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距离，高容量。传输范围一般介于10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离，若通过路由和节点间通信的接力，扩展后达到几百米甚至几公里。ZIGBEE可采用星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
(5)高可靠性和高安全性。ZIGBEE的媒体接入控制层(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。ZIGBEE还提供了3级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AdvancedEncryption Standard，AES)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
(6)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(Industrial Scientific Medical，ISM)频段，分别为2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
3 性能参数
Zigbee采集器/终端主要参数见表3。
表3
型号参数
ANEZB-485
ZIGBEE采集器
ANEZB-GTW
ZIGBEE网络终端
无线
频率范围
2.41GHz~2.48GHz
RF信道
16
接收灵敏度
-94dbm
发射功率
-27dbm~25dbm
天 线
外置SMA天线
网络拓扑
网状
寻址方式
IEEE802.15.4/ZIGBEE标准地址
网络容量
最大255个节点
通信接口
通信接口
RS485
工业以太网
波特率
9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选；
通信协议
MODBUS-RTU协议
LED指示
网络状态指示
绿灯
POWER指示
红灯
数据指示
绿灯
电源
辅助电源
220V AC
功耗
4W
电磁兼容
浪涌电压4000V
快速瞬变群脉冲4000V
静电8000V
机械尺寸
89×76×74mm
工作温度
-20℃~65℃
储藏温度
-40℃~85℃
4 接线方式
4.1 ZIGBEE采集器 见图4.1
图4.1 ANEZB-485采集器接线
5 外形与安装尺寸(mm)
5.1 ZIGBEE采集器 见图5.1。
图5.2 ANEZB-GTW网络终端外形及尺寸
5.2 ZIGBEE网络终端 见图5.2。
图5.3 Zigbee模块安装方式
6无线系统体系结构
图6为无线通信抄表系统网络拓扑图，整个网络主要由四部分组成：计量仪表、本地无线通信网络、远方通信网络以及数据交换设备。ZIGBEE无线通信抄表系统的体系结构也继承了无线通信抄表系统，它的结构与无线抄表系统大致一样，整个网络也由计量仪表、ZIGBEE采集器（负责与计量仪表之间的通信）、ZIGBEE网络终端（负责与上层通讯网络的对接，譬如工业太网等）、上层通信网络和数据交换存储设备。ZIGBEE无线通信抄表系统一般采用的组网方式是MESH的网状网络，MESH网络能更好得保证通信质量，保证单一节点出现故障时不影响其他节点通信状态。
图6 无线网络拓扑图
7 无线抄表解决方案
不管是有线还是无线，抄表系统总会受到环境、距离和场合等因素的影响而各有其不同的解决方案。基于ZIGBEE抄表系统也不会脱离这个约束，它也会由环境、距离和场合等因素的影响而异，有不同的解决方案。由于ZIGBEE的定位是短距离的通信，应用于写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络时，它所考虑的因素相对要少。
图7为ZIGBEE无线集抄系统单个子网组成示意图，整个系统前面阐述的系统体系结构的组成一样，主要由上行网络工业以太网和下行网络ZIGBEE无线局域网络组成。整个子网主要由电表、ZIGBEE采集器以及ZIGBEE网络终端组成。电表可以采用ACREL的1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等，它们与ZIGBEE采集器之间采用RS485通讯，采用MODBUS通信协议；ZIGBEE采集器下面最多可以连接32个表；由于MODBUS地址有限，整个ZIGBEE子网中最多能连接255个表；为了保障通信连接的可靠性，有的时候要视环境和距离的情况，需要多加几个路由功能的网络节点（ZIGBEE采集器配置成路由功能），以保证有些孤远节点的通信正常；另外考虑到无线网络的拥塞度和实时性传输，建议整个子网中的无线节点（即ZIGBEE采集器）的个数不应大于60个，这样能保证网络中的通信质量。每个ZIGBEE子网都有各自的ID识别和频段的划分，这样可以帮助扩充更多的表计数。
图7 ZIGBEE无线集抄系统单个子网示意图
8 基于ZigBee电能管理系统的应用实例
图8.1为ZigBee电能管理系统，远程通信网络采用工业以太网络，网络中电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再通过单点对多点的通信模式，以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器，通过ZigBee采集器传递给485总线上的各个表计，如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合，则做出相应的数据回复，通过原路返回给监控主机。
整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等，还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。
目前整个系统在江苏安科瑞实施运行，按照分项计量的原则，把厂区内的各路进线和出线进行分项计量，图8.2就是该厂区的配电图，整个系统对所有的进线回路进行监控，并全部使用ZigBee采集模块进行数据采集监控，其中包含电流、电压、电能等参数，及一些简单的开关量的控制。系统还对一些支路进行监视，譬如生产线、办公楼、空调等等进行全方位的监视，这样方便工厂了解各项数据，以便制定更详细的节能方案。
图8.2 厂区配电图
该项目整个ZigBee无线电能管理系统采用的无线模块为21个，包括各类表记82个块。图8.3为ZigBee无线电能管理系统中的通信图，它列出了整个系统包含的所有表计。其中配电室的14个表通过485总线连接到一个ZigBee采集模块进行无线通信，各个空调插座由于比较分散，各采用一个ZigBee采集模块，等等。具体视表计的离散情况，集中在一起的用485总线连接一个模块，分散的分别连接一个模块。以这样的方式比较灵活，减少布线带来的困难。
图8.3 ZigBee无线电能管理系统通信图
图8.3 ZigBee无线电能管理系统通信图
整个系统运行良好，已经在现场运行了一段时间。图8.4为一段时间内主进线电流趋势图，它实时反映了工厂这段时间内的电流情况，从而反映整个厂区的负荷情况。
图8.4 一段时间内主进线电流趋势图
图8.4 一段时间内主进线电流趋势图
图8.5为一段时间内的进线回路各项参数的具体数值，它详细地记录了进线回路三相电压、电流、有功电能、无功能电能、功率因素、频率参数。整个厂区各回路电能汇总如图8.6所示，它记录了一段时间内各个回路的耗电情况，包括各回路进行柜的总电能及分支电能。
图8.6 各回路电能汇总
9 总结
随着无线通信及ZigBee技术的迅速发展，基于ZigBee的电能管理系统也将渐渐得到人们的关注。ZigBee可以很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题，而且组网灵活性很高，在电能管理系统中应用前景非常广泛，而且在智能电网领域内也有着广泛的应用前景。
介绍的ZigBee无线模块在ZigBee无线电能系统中得到了成功的应用，整个系统很好地对厂区中各路进线回路进行了监测，并能真实的反映厂区的负荷情况。安科瑞公司将生产智能电力仪表各工段能耗及整机能耗，逐年比对，查找高能耗因数，列入整改，使仪表生产能耗逐年下降，为节能减排做出应有的贡献。而为了使ZigBee无线电能管理系统能更好地发挥它的优势，还需不断优化系统中的软硬件设备。