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在物联网(ZigBee)技术中能源管理系统中的应用
2012/9/19 20:00:19
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0 引言
无所不在的物联网通信时代即将来临，物联网被专家及多个国家认为是继互联网浪潮之后的又一次科技革命。不管是IBM提出的智慧地球，还是温家宝总理在无锡提出的感知中国，都意味着物联网将是当下最热门最具竞争性的产业。传统的能源管理系统一般需要布设现场总线，然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户显示界面，当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器，而如果需要实现跨地区的远程管理，更是需要在互联网上架设一台专门的服务器，这样，不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软件，系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要IT部门的管理员协助维护服务器设备，避免服务器故障而造成损失。因此，将物联网技术引入到远程能源管理系统中来，底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备，上层使用互联网技术服务，消除现场级布线的烦恼，可以消除网络硬件的投入及日常的IT维护，同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理。由于本文所述的能源管理系统采用安科瑞(Acrel)公司提供的平台及解决方案，因此，在系统具体实现的设计均按照Acrel平台的要求，但这并不影响借鉴和参考此平台和解决方案来讨论物联网的构架、问题，及前景。
1 什么是物联网
1.1 物联网的定义
目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，只是在大体的技术框架上做了一个概念性的表述：通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就字面意义上理解就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面，是一种聚合性、系统性的创新应用与发展，也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
1.2 物联网的组成
物联网的结构主要由三大块组成：
一、包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别，以及传感网络，组成了物联网的底层基础。
二、将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术：如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至卫星通讯等，最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力，也都归属在这一层。
三、根据客户自身需求，利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。
1.3 ZigBee技术的特点
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1)，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等短距离无线通信技术相比较，ZigBee的特点主要有。
(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2.4GHz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3～10S、Wi-Fi需3S。
(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1~3km。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(Advanced Encryption 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2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。
1.4 ZigBee的性能参数
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee网络终端为例，其主要参数见表1.
表1
| 型 号 参 数 | ANEZB-485 ZigBee采集器 | ANEZB-GTW ZigBee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 | 89×76×74mm | |
| 工作温度 | -20℃~65℃ | |
| 储藏温度 | -40℃~85℃ | |
2 能源管理系统的设计
2.1 工作原理
能源管理系统主要实现对区域内用电设备的智能管理，采用基于Acrel公司解决方案，感知层采用ZigBee无线通讯技术。由于ZigBee网络具有设备成本低、设备体积小、省电、网络自愈能力强等特点，非常适合广泛应用在智能家庭、工业控制、能源管理、医疗监控等物联网领域。网关和网络电力仪表、智能开关组成一个ZigBee私域网络，实现相互之间的连接。网关可进行本地逻辑运算，实现本地智能。
2.2 系统结构
能源管理系统由现场采集执行器、本地数据处理、应用服务程序等几个部分组成。其系统结构见图2。
(1)现场采集执行器：主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表
(2)应用服务程序：运行于Google云技术服务平台，基于Google App Engine开发的web应用程序，具有权限的用户在任何可以接入互联网的地方，使用Web浏览器登录，即可查看该能源管理系统中的设备运行状态，以及能耗数据报表等信息。
3 能源管理系统计量体系宜选电力仪表
建立能源管理系统应先建立计量体系。数据先于决策，节能始于计量。为了不重复投资，造成浪费，能源管理系统应与配电系统一体化，直接在配电系统中采集能耗数据。
电能计量宜采用电力仪表作为内部管理电表，不宜用收费电表。在电能管理中，供电部门一般会在总进线处安装收费电表。考虑内部电能计量与节能管理的需要，在用户安装收费电表的基础上安装电力仪表，用于内部电能管理。因此用户可自主选择采购，但应注意制造商是否有电力仪表(电能部分)的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各功能区的分项电能数据的采集，通过后台电能管理系统完成电能分项计量。
4 ZigBee无线抄表解决方案
图3为ZigBee能源管理系统，远程通信网络采用工业以太网络，网络中电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再通过单点对多点的通信模式，以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器，通过ZigBee采集器传递给485总线上的各个表计，如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合，则做出相应的数据回复，通过原路返回给监控主机。
整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等，还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。
安科瑞为生产基地——江苏安科瑞电器制造有限公司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。
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3。
表3 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。
4 结束语
基于ZigBee无线网络配电管理系统组网方式比较灵活，而且有效减少了布线工作量，解决了有线通信方式带来的布线难度大、成本高和升级维护困难等问题。
物联网技术在此能源管理系统中取得了成功的应用，通过设定一些阈值及条件，电灯可依照亮度传感器的感知数据及夏令、冬令时间自行开关，实现了物物感知、智能控制的效果，而云技术的运用实现了免IT基础设施的用户应用即时发布，彻底消除了IT设备采购周期、IT维护等因素的影响。运用物联网技术将使人们的生活更加便捷、更加智能化，物联网技术将会越来越多的被应用，物联网应用也会从目前的局限于一个工厂、一栋楼宇的局域感知型物联网，向大范围、众多不同设备互联的广域感知型物联网发展。但是由于当前物联网技术还没有相关统一的标准体系，且物联网本身的定义还存在争论，因此，全面普及的大范围广域物联网还有许多路要走。
参考文献：
[1]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2010.08版.
[2]张莉.ZigBee技术在物联网中的应用[J].电信网技术,2010年3月,第3期.
[3]宋谦，物联网技术在能源管理系统中的应用.美国迪进上海代表处系统工程师.
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