ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電能管理系統設計與選型方案———ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電能管理系統設計與選型方案
一．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。
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載波
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RS485
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ZigBee無(wú)線(xiàn)
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建網(wǎng)難度
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簡(jiǎn)單
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困難
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簡(jiǎn)單
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一次性投資
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小
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一般
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較大
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運行維護
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困難
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比較困難
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容易
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通信速度
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低
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高
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高
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可靠性
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差
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一般
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好
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實(shí)時(shí)監控
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不能
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能
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能
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表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較
二．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：
圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲分類(lèi)
(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)。
三 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
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應用場(chǎng)合
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型號
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主要功能
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高壓重要<
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