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物聯網（ZigBee）技術在能源管理系統中的應用
安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801
摘 要：闡述了物聯網的概念，分析了物聯網的組成，提出了基于ZigBee技術的能源管理系統設計方案，給出了物聯網能源管理系統的組成、特點及性能參數，描述了ZigBee數據通訊、互聯網技術實現遠程能源管理。系統運行結果表明運用物聯網技術的能源管理系統穩定可靠，從而達到了節能減耗的效果，最后展望了物聯網的應用價值和技術的發展前景，并指出物聯網發展面臨的困難。
關鍵詞：物聯網 ZigBee 無線 能源管理 網絡電力儀表
0 引言
無所不在的物聯網通信時代即將來臨，物聯網被專家及多個國家認為是繼互聯網浪潮之后的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯網將是當下最熱門最具競爭性的產業。傳統的能源管理系統一般需要布設現場總線，然后將現場設備連接到一臺電腦進行數據處理并向用戶顯示界面，當數據量較大時可能需要單獨的數據處理服務器，而如果需要實現跨地區的遠程管理，更是需要在互聯網上架設一臺專門的服務器，這樣，不僅需要投入服務器等網絡設備以及開發相應的服務軟件，系統的維護除現場級設備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協助維護服務器設備，避免服務器故障而造成損失。因此，將物聯網技術引入到遠程能源管理系統中來，底層運用無線傳感網絡連接現場傳感器及設備，上層使用互聯網技術服務，消除現場級布線的煩惱，可以消除網絡硬件的投入及日常的IT維護，同時可以輕松實現基于WEB服務的遠程管理。由于本文所述的能源管理系統采用安科瑞（Acrel）公司提供的平臺及解決方案，因此，在系統具體實現的設計均按照Acrel平臺的要求，但這并不影響借鑒和參考此平臺和解決方案來討論物聯網的構架、問題，及前景。
1 什么是物聯網
1.1 物聯網的定義
目前國內對物聯網也還沒有一個統一的標準定義，只是在大體的技術框架上做了一個概念性的表述：通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網就字面意義上理解就是“物物相連的互聯網”。這有兩層意思：第一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。從物聯網本質上看，物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。因為物聯網技術的發展幾乎涉及到了信息技術的方方面面，是一種聚合性、系統性的創新應用與發展，也因此才被稱為是信息技術的第三次革命性創新。物聯網的本質概括起來主要體現在三個方面：一是互聯網特征，即對需要聯網的物一定要能夠實現互聯互通的互聯網絡；二是識別與通信特征，即納入物聯網的“物”一定要具備自動識別與物物通信的功能；三是智能化特征，即網絡系統應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。
1.2 物聯網的組成
物聯網的結構主要由三大塊組成：
一、包括各類傳感器、控制器等數據采集控制設備，及構成這些設備互聯的底層傳感網絡組成的設備感知層。感知層中的智能終端、智能傳感器、射頻識別，以及傳感網絡，組成了物聯網的底層基礎。
二、將底層傳感器數據傳輸到互聯網上的網絡層。網絡層運用各種接入技術：如以太網、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛星通訊等，最終接入互聯網。云技術強大的存儲、查詢、計算能力，也都歸屬在這一層。
三、根據客戶自身需求，利用感知數據或狀態為用戶提供有效的特定服務的應用層。應用層是對感知數據的一種特定形式的呈現。
1.3 ZigBee技術的特點
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等短距離無線通信技術相比較，ZigBee的特點主要有。
(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2.4GHz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3～10S、Wi-Fi需3S。
(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1~3km。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(Advanced Encryption 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2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。
1.4 ZigBee的性能參數
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee網絡終端為例，其主要參數見表1
2 能源管理系統的設計
2.1 工作原理
能源管理系統主要實現對區域內用電設備的智能管理，采用基于Acrel公司解決方案，感知層采用ZigBee無線通訊技術。由于ZigBee網絡具有設備成本低、設備體積小、省電、網絡自愈能力強等特點，非常適合廣泛應用在智能家庭、工業控制、能源管理、醫療監控等物聯網領域。網關和網絡電力儀表、智能開關組成一個ZigBee私域網絡，實現相互之間的連接。網關可進行本地邏輯運算，實現本地智能。
2.2 系統結構
能源管理系統由現場采集執行器、本地數據處理、應用服務程序等幾個部分組成。其系統結構見圖2。
(1)現場采集執行器：主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表
(2)應用服務程序：運行于Google云技術服務平臺，基于Google App Engine開發的web應用程序，具有權限的用戶在任何可以接入互聯網的地方，使用Web瀏覽器登錄，即可查看該能源管理系統中的設備運行狀態，以及能耗數據報表等信息。
3 能源管理系統計量體系宜選電力儀表
建立能源管理系統應先建立計量體系。數據先于決策，節能始于計量。為了不重復投資，造成浪費，能源管理系統應與配電系統一體化，直接在配電系統中采集能耗數據。
電能計量宜采用電力儀表作為內部管理電表，不宜用收費電表。在電能管理中，供電部門一般會在總進線處安裝收費電表。考慮內部電能計量與節能管理的需要，在用戶安裝收費電表的基礎上安裝電力儀表，用于內部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區的分項電能數據的采集，通過后臺電能管理系統完成電能分項計量。
4 ZigBee無線抄表解決方案
圖3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。
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。
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3。
注1：以上表中數據是試點工程中的實測數據。在實際情況實施時，應視樓宇實際結構而定。
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。
4 結束語
基于ZigBee無線網絡配電管理系統組網方式比較靈活，而且有效減少了布線工作量，解決了有線通信方式帶來的布線難度大、成本高和升級維護困難等問題。
物聯網技術在此能源管理系統中取得了成功的應用，通過設定一些閾值及條件，電燈可依照亮度傳感器的感知數據及夏令、冬令時間自行開關，實現了物物感知、智能控制的效果，而云技術的運用實現了免IT基礎設施的用戶應用即時發布，徹底消除了IT設備采購周期、IT維護等因素的影響。運用物聯網技術將使人們的生活更加便捷、更加智能化，物聯網技術將會越來越多的被應用，物聯網應用也會從目前的局限于一個工廠、一棟樓宇的局域感知型物聯網，向大范圍、眾多不同設備互聯的廣域感知型物聯網發展。但是由于當前物聯網技術還沒有相關統一的標準體系，且物聯網本身的定義還存在爭論，因此，全面普及的大范圍廣域物聯網還有許多路要走。
參考文獻：
[1]上海安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2010.08版.
[2]張莉.ZigBee技術在物聯網中的應用[J].電信網技術,2010年3月,第3期.
[3]宋謙，物聯網技術在能源管理系統中的應用.美國迪進上海代表處系統工程師.
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