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ZigBee（物聯網）無線網絡電能管理系統設計與選型方案
安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801
一．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、工廠等無線抄表網絡，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與其他最后一公里通訊技術比較見表1。
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載波 |
RS485 |
ZigBee無線 |
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建網難度 |
簡單 |
困難 |
簡單 |
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一次性投資 |
小 |
一般 |
較大 |
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運行維護 |
困難 |
比較困難 |
容易 |
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通信速度 |
低 |
高 |
高 |
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可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
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實時監控 |
不能 |
能 |
能 |
表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術的比較
二．ZigBee技術特點
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1），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1 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）。
三 ZigBee（物聯網）無線網絡電能管理系統表計的選型方案
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應用場合 |
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型號 |
主要功能 |
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高壓重要回路或低壓進線柜 |
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ACR330ELH |
LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峰系數、電話波形因子、電流K系數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T645規約 |
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低壓聯絡柜、出線柜 |
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ACR220EL |
LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議 |
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動力柜 |
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ACR120EL |
LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議 |
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DTSD1352
（ADL3000） |
LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；電流規格1.5（6）A、5（20）A、10（40）A、20（80）A可選、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選 |
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照明箱 |
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DTSF1352
（ADL300） |
電流規格1.5（6）A、
5（20）A、10（40）A、20（80）A可選、復費率電能統計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選 |
三相電能計量 |
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DDSF1352
（ADL100） |
電流、電壓測量；單相電能計量 |
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DDSD1352 |
電流規格10（60）A、可編程、復費率電能統計、電能脈沖輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T645規約可選 |
全電參量測量
（I、U、P、Q、S、PF、F）
單相電能計量 |
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數據無線傳輸 |
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ANEZB-485 ZIGBEE采集器 |
采集來自485總線上的數據、完成485信號轉成無線信號、導軌式安裝 |
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ANEZB-GTW ZIGBEE網絡終端 |
接收來自以太網上的數據、完成以太網信號轉成無線信號、導軌式安裝 |
3.1 ZigBee采集器/終端主要參數見表2。
表2
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型號 參 數 |
ANEZB-485
ZigBee采集器 |
ANEZB-GTW
ZigBee網絡終端 |
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無線 |
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頻率范圍 |
2.41GHz~2.48GHz |
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RF信道 |
16 |
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接收靈敏度 |
-94dbm |
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發射功率 |
-27dbm~25dbm |
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天 線 |
外置SMA天線 |
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網絡拓撲 |
網狀 |
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尋址方式 |
IEEE802.15.4/ZigBee標準地址 |
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網絡容量 |
最大255個節點 |
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通信接口 |
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通信接口 |
RS485 |
工業以太網 |
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波特率 |
9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選； |
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通信協議 |
MODBUS-RTU協議 |
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LED指示 |
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網絡狀態指示 |
綠燈 |
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POWER指示 |
紅燈 |
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數據指示 |
綠燈 |
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電源 |
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輔助電源 |
220V AC |
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功耗 |
4W |
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電磁兼容 |
浪涌電壓4000V |
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快速瞬變群脈沖4000V |
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靜電8000V |
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機械尺寸 |
89×76×74mm |
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工作溫度 |
-20℃~65℃ |
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儲藏溫度 |
-40℃~85℃ |
3.2 ZigBee采集器 見圖3.2
圖3.2 ANEZB-485采集器接線
3.3 ZigBee網絡終端 見圖3.3
圖3.3 ANEZG-GTW網絡終端接線圖
四 ZigBee（物聯網）無線網絡電能管理系統
不管是有線還是無線，電能管理系統總會受到環境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案。基于ZigBee（物聯網）無線網絡電能管理系統也不會脫離這個約束，它也會由環境、距離和場合等因素的影響而異，有不同的解決方案。由于ZigBee的定位是短距離的通信，應用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡時，它所考慮的因素相對要少。
圖4為ZigBee無線集抄系統單個子網組成示意圖，整個系統前面闡述的系統體系結構的組成一樣，主要由上行網絡工業以太網和下行網絡ZigBee無線局域網絡組成。整個子網主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網絡終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網絡電力儀表等，它們與ZigBee采集器之間采用RS485通訊，采用MODBUS通信協議；ZigBee采集器下面最多可以連接32個表；由于MODBUS地址有限，整個ZigBee子網中最多能連接255個表；為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網絡節點（ZigBee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節點的通信正常；另外考慮到無線網絡的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網中的無線節點（即ZigBee采集器）的個數不應大于60個，這樣能保證網絡中的通信質量。每個ZigBee子網都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數。
圖4 ZigBee無線集抄系統單個子網組成示意圖
五 應用實例
圖5.1為ZigBee能源管理系統，遠程通信網絡采用工業以太網絡，網絡中電表的通信協議采用MODBUS-RTU協議。整個系統中監控主機通過以太網按照TCP/IP協議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網絡中心節點，網絡中心節點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給ZigBee無線網絡中的各個ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應的數據回復，通過原路返回給監控主機。
整個系統可以監測整個廠區或整幢樓宇等的各個分項的電能計量，譬如一個廠區路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產線的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內的各個分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達到節能減耗的效果。
目前整個系統在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區內的各路進線和出線進行分項計量，圖5.2就是該廠區的配電圖，整個系統對所有的進線回路進行監控，并全部使用ZigBee采集模塊進行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能等參數，及一些簡單的開關量的控制。系統還對一些支路進行監視，譬如生產線、辦公樓、空調等等進行全方位的監視，這樣方便工廠了解各項數據，以便制定更詳細的節能方案。
圖5.1 ZigBee能源管理系統
圖5.2 廠區配電圖
該項目整個ZigBee能源管理系統采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖5.3為ZigBee能源管理系統中的通信圖，它列出了整個系統包含的所有表計。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個ZigBee采集模塊進行無線通信，各個空調插座由于比較分散，各采用一個ZigBee采集模塊，等等。具體視表計的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個模塊，分散的分別連接一個模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。
圖5.3 ZigBee能源管理系統通信圖
整個系統運行良好，已經在現場運行了一段時間。圖5.4為一段時間內主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內的電流情況，從而反映整個廠區的負荷情況。
圖5.4 一段時間內主進線電流趨勢圖
圖5.5為一段時間內的進線回路各項參數的具體數值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數。整個廠區各回路電能匯總如圖5.6所示，它記錄了一段時間內各個回路的耗電情況，包括各回路進行柜的總電能及分支電能。
圖5.5 一段時間內的進線回路各項參數
圖5.6 各回路電能匯總
六 系統報價
單位：元（RMB）
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名稱 |
型號 |
單位 |
面價 |
備注 |
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監控主機 |
IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外設 |
臺 |
8500 |
均可用戶自備，以當時市場價格為準，該報價僅供參考 |
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顯示器 |
三星19寸液晶顯示器 |
臺 |
3000 |
|
三星22寸液晶顯示器 |
臺 |
3800 |
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打印機 |
HP LaserJet 1020 A4 |
臺 |
2500 |
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EPSON-LQ1600KIIIH A3 |
臺 |
4000 |
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UPS電源 |
山特C1KS |
臺 |
5000 |
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山特C2KS |
臺 |
6500 |
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通訊機柜 |
1200×600×600 |
面 |
3000 |
|
2200×600×600 |
面 |
5000 |
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通訊轉換 |
擴展卡ACRNET-PCI/4 |
塊 |
3000 |
擴展卡 |
|
串口服務器ACRNET-PORT（2口） |
只 |
3000 |
串口服務器 |
|
串口服務器ACRNET-PORT（4口） |
只 |
5500 |
|
通訊前置機ACRNET-UC02（2口） |
只 |
4000 |
通訊前置機 |
|
通訊前置機ACRNET-UC04（4口） |
只 |
6000 |
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通訊前置機ACRNET-UC08（8口） |
只 |
11500 |
|
通訊管理機ACRHMI |
臺 |
30000 |
人機界面 |
|
組網設備 |
網絡交換機EDS-208 |
臺 |
3000 |
局域組網 |
|
網絡交換機EDS-408 |
臺 |
8500 |
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監控軟件 |
Acrel監控組態軟件V6.0 |
系統組態軟件
圖形組態軟件
電能管理軟件
數據庫軟件 |
套 |
3萬 |
設備數量1～10 |
|
4萬 |
設備數量11～20 |
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6萬 |
設備數量21～40 |
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8萬 |
設備數量41～80 |
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10萬元以上 |
設備數量80以上 |
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雙機版 |
|
套 |
|
單機價格×1.5 |
|
數據轉發 |
每+1用戶 |
套 |
3000 |
|
|
Web發布 |
每+1用戶（總用戶數≤5） |
套 |
5000 |
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ZigBee
無線模塊 |
ANEZB-485 |
臺 |
1200 |
|
|
ANEZB-GTW |
臺 |
1500 |
|
|
電力儀表 |
ACR330ELH |
臺 |
4860 |
|
|
ACR220ELH |
臺 |
4280 |
|
|
ACR120ELH |
臺 |
3580 |
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導軌式安裝電表 |
DTSD1352 |
臺 |
2050 |
|
|
DTSF1352 |
臺 |
1200 |
|
|
DDSF1352 |
臺 |
600 |
|
|
DDSD1352 |
臺 |
2950 |
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注：ZigBee無線模塊、電力儀表、導軌式安裝電表可按上述報價的70%優惠供應。
七 結束語
ZigBee技術在2004年就被列為當今世界發展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術中的一個，ZigBee（物聯網）無線網絡省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應用于各種自動控制領域。
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