ZIGBEE（物聯網）無線網絡電能管理系統

1 概述

隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術，稱之為ZIGBEE，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、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網。

由于ZIGBEE的優越特性，基于ZIGBEE技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等，適用于企業內部能耗監測及管理系統，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統中。而若將其與成熟的工業以太網和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控系統，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。ZIGBEE與其他“最后一公里”技術比較見表1。

	載波PLC	RS485	ZIGBEE無線
建網難度	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
實時監控	不能	能	能

 

ZIGBEE協議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發布ZIGBEE V1．0到最新的增加了ZIGBEE-PRO擴展指令集的ZIGBEE2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZIGBEE具備強大的設備聯網功能(見圖2)，它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。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網絡拓撲分類

(1)工作周期短、收發信息功耗較低，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，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4 KB代碼。

(3)低速率、短延時。ZIGBEE的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時)，滿足低速率傳輸數據的應用需求。ZIGBEE的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。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發射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節點間的距離，若通過路由和節點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZIGBEE可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點。

(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的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。ZIGBEE還提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接人控制清單防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AdvancedEncryption Standard，AES)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

(6)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

 

圖3為ZIGBEE(物聯網)無線網絡電能管理系統網絡拓撲圖，整個網絡主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網絡、遠方通信網絡以及數據交換設備。整個網絡由計量儀表、ZIGBEE采集器（負責與儀表之間的通信）、ZIGBEE網絡終端（負責與上層通訊網絡的對接，譬如工業以太網等）、上層通信網絡和數據交換存儲設備。ZIGBEE無線通信管理系統一般采用的組網方式是MESH的網狀網絡，MESH網絡能更好得保證通信質量，保證單一節點出現故障時不影響其他節點通信狀態。

 

圖3 無線網絡拓撲圖

4 ZIGBEE（物聯網）無線網絡電能管理系統解決方案

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，是基于ZIGBEE（物聯網）無線網絡的電能管理系統，整個系統的組網采用ZIGBEE與RS485混合組網模式。

整個廠區共設8個集中監測點，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。每個監測點各設置無線ZIGBEE采集器一只，通過RS485總線對位于該監測點的電能計量儀表進行通訊組網；監控中心設置ZIGBEE網絡終端一只，結合現場實際情況及考慮通訊的可靠性，于適當位置設置數只ZIGBEE中繼路由器。系統的組網示意如圖4

 

 

圖4 ZIGBEE（物聯網）無線網絡電能管理系統解決方案組網示意圖

 

 

公司通過建立ZIGBEE（物聯網）無線網絡電能管理系統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進行了驗證。詳細參數見表2。

參數			備注
系統容量
工作頻段		2.4GHz	不同信道，不同ID可以組成不同的子網。
無線信道		16個
網絡ID數		255個
子網容量
ZIGBEE網絡終端		1個	網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量，堆放物品的高度等影響。

 

 

5 性能參數

型號 參數	ANEZB-485ZIGBEE采集器	ANEZB-GTWZIGBEE網絡終端
無線
頻率范圍	2.41GHz~2.48GHz
RF信道	16
接收靈敏度	-94dbm
發射功率	-27dbm~25dbm
天 線	外置SMA天線
網絡拓撲	網狀
尋址方式	IEEE802.15.4/ZIGBEE標準地址
網絡容量	最大255個節點
通信接口
通信接口	RS485	工業以太網
波特率	9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選；
通信協議	MODBUS-RTU協議
LED指示
網絡狀態指示	綠燈
POWER指示	紅燈
數據指示	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網絡終端

           

7外形與安裝尺寸(mm)

7.1 ZIGBEE采集器

7.2 ZIGBEE網絡終端

7.3 安裝方式

采用35mm標準導軌安裝