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1．概述 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)出現了面向低成本設備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱(chēng)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、遠程控制領(lǐng)域及家用設備聯(lián)網(wǎng)。 由于ZigBee的優(yōu)越特性，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現手段。適合應用于一些短距離的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)，例如寫(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò )，適用于企業(yè)內部能耗監測及管理系統，尤其適用于一些布線(xiàn)困難舊樓改造的能耗管理系統中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監控系統，則可以為遠程管理提供一個(gè)有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見(jiàn)表1。 2．ZigBee技術(shù)特點(diǎn) ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)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(lián)網(wǎng)功能(見(jiàn)圖1)，它支持3種主要的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型，即星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和樹(shù)型結構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)相比較，ZigBee的特點(diǎn)主要有： (1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD(Reduced Function Device，簡(jiǎn)化功能器件)采用了休眠模式，不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。 (2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)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(diǎn)需要32KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4 KB代碼。 (3)低速率、短延時(shí)。ZigBee的最大通信速率達到250 kb／s(工作在2．4 GHz時(shí))，滿(mǎn)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(tài)只需15ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30ms，進(jìn)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(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離，若通過(guò)路由和節點(diǎn)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構。由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)。 (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(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式，包括無(wú)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(chēng)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(yè)科學(xué)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)。  3 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電能管理系統表計的選型方案 3.1 ZigBee采集器/終端主要參數見(jiàn)表2。 3.2 ZigBee采集器 見(jiàn)圖3.2 3.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò )終端 見(jiàn)圖3.3 4 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電能管理系統 不管是有線(xiàn)還是無(wú)線(xiàn)，電能管理系統總會(huì )受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯igBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電能管理系統也不會(huì )脫離這個(gè)約束，它也會(huì )由環(huán)境、距離和場(chǎng)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(xiě)字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠(chǎng)等無(wú)線(xiàn)抄表網(wǎng)絡(luò )時(shí)，它所考慮的因素相對要少。 圖4為ZigBee無(wú)線(xiàn)集抄系統單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖，整個(gè)系統前面闡述的系統體系結構的組成一樣，主要由上行網(wǎng)絡(luò )工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò )ZigBee無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )組成。整個(gè)子網(wǎng)主要由電表、ZigBee采集器以及ZigBee網(wǎng)絡(luò )終端組成。電表可以采用ACREL的1352系列卡式電能表和ACR網(wǎng)絡(luò )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(xié)議；ZigBee采集器下面最多可以連接32個(gè)表；由于MODBUS地址有限，整個(gè)ZigBee子網(wǎng)中最多能連接255個(gè)表；為了保障通信連接的可靠性，有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個(gè)路由功能的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)（ZigBee采集器配置成路由功能），以保證有些孤遠節點(diǎn)的通信正常；另外考慮到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸，建議整個(gè)子網(wǎng)中的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)（即ZigBee采集器）的個(gè)數不應大于60個(gè)，這樣能保證網(wǎng)絡(luò )中的通信質(zhì)量。每個(gè)ZigBee子網(wǎng)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。 5 應用實(shí)例 圖5.1為ZigBee能源管理系統，遠程通信網(wǎng)絡(luò )采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個(gè)系統中監控主機通過(guò)以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數據傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò )中心節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )中心節點(diǎn)再通過(guò)單點(diǎn)對多點(diǎn)的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳遞給ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)ZigBee采集器，通過(guò)ZigBee采集器傳遞給485總線(xiàn)上的各個(gè)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(guò)原路返回給監控主機。 整個(gè)系統可以監測整個(gè)廠(chǎng)區或整幢樓宇等的各個(gè)分項的電能計量，譬如一個(gè)廠(chǎng)區路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線(xiàn)的耗電量等等，還可以以報表的形式分析該工廠(chǎng)在一段時(shí)時(shí)間內的各個(gè)分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠(chǎng)了解這段時(shí)間里的各個(gè)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(gè)系統在江蘇安科瑞實(shí)施運行，按照分項計量的原則，把廠(chǎng)區內的各路進(jìn)線(xiàn)和出線(xiàn)進(jìn)行分項計量，圖5.2就是該廠(chǎng)區的配電圖，整個(gè)系統對所有的進(jìn)線(xiàn)回路進(jìn)行監控，并全部使用ZigBee采集模塊進(jìn)行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能等參數，及一些簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的控制。系統還對一些支路進(jìn)行監視，譬如生產(chǎn)線(xiàn)、辦公樓、空調等等進(jìn)行全方位的監視，這樣方便工廠(chǎng)了解各項數據，以便制定更詳細的節能方案。 該項目整個(gè)ZigBee能源管理系統采用的無(wú)線(xiàn)模塊為21個(gè)，包括各類(lèi)表記82個(gè)塊。圖5.3為ZigBee能源管理系統中的通信圖，它列出了整個(gè)系統包含的所有表計。其中配電室的14個(gè)表通過(guò)485總線(xiàn)連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，各個(gè)空調插座由于比較分散，各采用一個(gè)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(xiàn)連接一個(gè)模塊，分散的分別連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線(xiàn)帶來(lái)的困難。  整個(gè)系統運行良好，已經(jīng)在現場(chǎng)運行了一段時(shí)間。圖5.4為一段時(shí)間內主進(jìn)線(xiàn)電流趨勢圖，它實(shí)時(shí)反映了工廠(chǎng)這段時(shí)間內的電流情況，從而反映整個(gè)廠(chǎng)區的負荷情況。 圖5.5為一段時(shí)間內的進(jìn)線(xiàn)回路各項參數的具體數值，它詳細地記錄了進(jìn)線(xiàn)回路三相電壓、電流、有功電能、無(wú)功能電能、功率因素、頻率參數。整個(gè)廠(chǎng)區各回路電能匯總如圖5.6所示，它記錄了一段時(shí)間內各個(gè)回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。 6 結束語(yǔ) ZigBee技術(shù)在2004年就被列為當今世界發(fā)展最快，市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的一個(gè)，ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。