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(nèi)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(zhuǎn)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(zhì)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(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設計的針對生產(chǎn)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(chǎn)動力柜、空調(diào)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?nèi)好}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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