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ZIGBEE(物联网)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,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”技术比较见表1。
表1. ZIGBEE与其他“最后一公里”技术的比较
 
载波PLC
RS485
ZIGBEE无线
建网难度
简单
困难
简单
一次性投资
一般
较大
运行维护
困难
比较困难
容易
通信速度
可靠性
一般
实时监控
不能
 
 
2 ZIGBEE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
(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 ZIGBEE(物联网)无线网络电能管理系统的体系结构
图3为ZIGBEE(物联网)无线网络电能管理系统网络拓扑图,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。整个网络由计量仪表、ZIGBEE采集器(负责与仪表之间的通信)、ZIGBEE网络终端(负责与上层通讯网络的对接,譬如工业以太网等)、上层通信网络和数据交换存储设备。ZIGBEE无线通信管理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3 无线网络拓扑图
4 ZIGBEE(物联网)无线网络电能管理系统解决方案
安科瑞为生产基地——qy千亿国际平台设计的针对生产用电进行管理的电能管理分析系统,是基于ZIGBEE(物联网)无线网络的电能管理系统,整个系统的组网采用ZIGBEE与RS485混合组网模式。
整个厂区共设8个集中监测点,分别位于配电间、层配生产动力柜、空调动力柜、排风机控制箱及位于配电末端的几个照明控制箱。每个监测点各设置无线ZIGBEE采集器一只,通过RS485总线对位于该监测点的电能计量仪表进行通讯组网;监控中心设置ZIGBEE网络终端一只,结合现场实际情况及考虑通讯的可靠性,于适当位置设置数只ZIGBEE中继路由器。系统的组网示意如图4
 
 
图4 ZIGBEE(物联网)无线网络电能管理系统解决方案组网示意图
 
 
公司通过建立ZIGBEE(物联网)无线网络电能管理系统解决方案的工厂试点工程,对ANEZB无线ZIGBEE通讯模块的实际参数进行了验证。详细参数见表2
表2 ANEZB系列ZIGBEE通讯模块性能参数表
参数
备注
系统容量
 
工作频段
2.4GHz
不同信道,不同ID可以组成不同的子网。
无线信道
16个
网络ID数
255个
子网容量
 
ZIGBEE网络终端
1个
网络中有时需要牺牲一些ZIGBEE采集器只作中继路由,防止个别节点通信不上。
ZIGBEE采集器
≤30个
表计容量
≤254个
条件
穿透距离(单位:米)
备注
空旷无障碍地方传输距离
1200
 
24cm厚砖墙,宽4米的房间
16(3堵墙)
建议安装在靠近外墙,效果更好。
单堵24cm厚砖墙
40
16cm混凝土楼板,层高4米
向上传输
8(2层板)
向下传输
4(1层板)
注1:以上表中数据是试点工程中的实测数据。在实际情况实施时,应视楼宇实际结构而定。
注2:无线信号穿透能力,往往还会受到如房间堆放物品的数量,堆放物品的高度等影响。
 
 
5 性能参数
        型号
参数
ANEZB-485ZIGBEE采集器
ANEZB-GTWZIGBEE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*74
工作温度
-20℃~65℃
储藏温度
-40℃~85℃
6接线方式
6.1 ZIGBEE采集器
              
6.2 ZIGBEE网络终端
           
7外形与安装尺寸(mm)
7.1 ZIGBEE采集器
7.2 ZIGBEE网络终端
7.3 安装方式
采用35mm标准导轨安装
 
 

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