物聯(lián)網(wǎng)（ZigBee）技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用
師晴晴
江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇江陰214405
摘 要：闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念，分析了物聯(lián)網(wǎng)的組成，提出了基于ZigBee技術(shù)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)及性能參數(shù)，描述了ZigBee數(shù)據(jù)通訊、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程能源管理。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源管理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，從而達(dá)到了節(jié)能減耗的效果，后展望了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)的發(fā)展前景，并指出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的困難。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) ZigBee 無線 能源管理 網(wǎng)絡(luò)電力儀表
0 引言
*的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來臨，物聯(lián)網(wǎng)被及多個(gè)認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)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*總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當(dāng)下熱門具競爭性的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)一般需要布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線，然后將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一臺(tái)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并向用戶顯示界面，當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)可能需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，而如果需要實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)程管理，更是需要在互聯(lián)網(wǎng)上架設(shè)一臺(tái)專門的服務(wù)器，這樣，不僅需要投入服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及開發(fā)相應(yīng)的服務(wù)軟件，系統(tǒng)的維護(hù)除現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協(xié)助維護(hù)服務(wù)器設(shè)備，避免服務(wù)器故障而造成損失。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)中來，底層運(yùn)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)傳感器及設(shè)備，上層使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)布線的煩惱，可以網(wǎng)絡(luò)硬件的投入及日常的IT維護(hù)，同時(shí)可以輕松實(shí)現(xiàn)基于WEB服務(wù)的遠(yuǎn)程管理。由于本文所述的能源管理系統(tǒng)采用安科瑞（Acrel）公司提供的平臺(tái)及解決方案，因此，在系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)均按照Acrel平臺(tái)的要求，但這并不影響借鑒和參考此平臺(tái)和解決方案來討論物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、問題，及前景。
1 什么是物聯(lián)網(wǎng)
1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義
目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)也還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，只是在大體的技術(shù)框架上做了一個(gè)概念性的表述：通過射頻識(shí)別（RFID）、傳感器、定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)就字面意義上理解就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：*，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通訊。從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用，使人與物智慧對(duì)話，創(chuàng)造一個(gè)智慧的世界。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及到了信息技術(shù)的方方面面，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展，也因此才被稱為是信息技術(shù)的第三次革命性創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對(duì)需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；二是識(shí)別與通信特征，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動(dòng)識(shí)別與物物通信的功能；三是智能化特征，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)化、自我反饋與智能控制的特點(diǎn)。
1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組成
物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主要由三大塊組成：
一、包括各類傳感器、控制器等數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備，及構(gòu)成這些設(shè)備互聯(lián)的底層傳感網(wǎng)絡(luò)組成的設(shè)備感知層。感知層中的智能終端、智能傳感器、射頻識(shí)別，以及傳感網(wǎng)絡(luò)，組成了物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎(chǔ)。
二、將底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用各種接入技術(shù)：如以太網(wǎng)、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛(wèi)星通訊等，終接入互聯(lián)網(wǎng)。云技術(shù)強(qiáng)大的存儲(chǔ)、查詢、計(jì)算能力，也都?xì)w屬在這一層。
三、根據(jù)客戶自身需求，利用感知數(shù)據(jù)或狀態(tài)為用戶提供的特定服務(wù)的應(yīng)用層。應(yīng)用層是對(duì)感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。
1.3 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到的增加了ZigBee-PRO擴(kuò)展指令集的ZigBee2006版本，ZigBee功能不斷強(qiáng)大。ZigBee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通信技術(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。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對(duì)通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時(shí)。ZigBee的大通信速率達(dá)到250 kb／s(工作在2.4GHz時(shí))，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)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(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，若通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，擴(kuò)展后達(dá)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(jié)構(gòu)。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
(5)高可靠性和高性。ZigBee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級(jí)模式，包括無設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption Standard，AES)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其屬性。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical，ISM)頻段，分別為2.4GHz()、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。
1.4 ZigBee的性能參數(shù)
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端為例，其主要參數(shù)見表1
2 能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 工作原理
能源管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)用電設(shè)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(shù)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備成本低、設(shè)備體積小、省電、網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合廣泛應(yīng)用在智能家庭、工業(yè)控制、能源管理、醫(yī)療監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智能開關(guān)組成一個(gè)ZigBee私域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相互之間的連接。網(wǎng)關(guān)可進(jìn)行本地邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)本地智能。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集執(zhí)行器、本地?cái)?shù)據(jù)處理、應(yīng)用服務(wù)程序等幾個(gè)部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。
(1)現(xiàn)場(chǎng)采集執(zhí)行器：主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表
(2)應(yīng)用服務(wù)程序：運(yùn)行于Google云技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，基于Google App Engine開發(fā)的web應(yīng)用程序，具有權(quán)限的用戶在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方，使用Web瀏覽器登錄，即可查看該能源管理系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及能耗數(shù)據(jù)報(bào)表等信息。
3 能源管理系統(tǒng)計(jì)量體系宜選電力儀表
建立能源管理系統(tǒng)應(yīng)先建立計(jì)量體系。數(shù)據(jù)先于決策，節(jié)能始于計(jì)量。為了不重復(fù)投資，造成浪費(fèi)，能源管理系統(tǒng)應(yīng)與配電系統(tǒng)一體化，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù)。
電能計(jì)量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費(fèi)電表。在電能管理中，供電部門一般會(huì)在總進(jìn)線處安裝收費(fèi)電表。考慮內(nèi)部電能計(jì)量與節(jié)能管理的需要，在用戶安裝收費(fèi)電表的基礎(chǔ)上安裝電力儀表，用于內(nèi)部電能管理。因此用戶可自主選擇采購，但應(yīng)注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計(jì)量許可證。電力儀表可以完成對(duì)各回路、各功能區(qū)的分項(xiàng)電能數(shù)據(jù)的采集，通過后臺(tái)電能管理系統(tǒng)完成電能分項(xiàng)計(jì)量。
4 ZigBee無線抄表解決方案
圖3為ZigBee能源管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)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(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)再通過單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信模式，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個(gè)表計(jì)，如果表計(jì)的地址與命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù)，通過原路返回給監(jiān)控主機(jī)。
整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇等的各個(gè)分項(xiàng)的電能計(jì)量，譬如一個(gè)廠區(qū)路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等，還可以以報(bào)表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)間內(nèi)的各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項(xiàng)的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。
安科瑞為生產(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計(jì)的針對(duì)生產(chǎn)用電進(jìn)行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZigBee與RS485混合組網(wǎng)模式。
整個(gè)廠區(qū)共設(shè)8個(gè)集中監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于配電間、層配生產(chǎn)動(dòng)力柜、空調(diào)動(dòng)力柜、排風(fēng)機(jī)控制箱及位于配電末端的幾個(gè)照明控制箱。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各設(shè)置無線ZigBee采集器一只，通過RS485總線對(duì)位于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能計(jì)量儀表進(jìn)行通訊組網(wǎng)；監(jiān)控中心設(shè)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端一只，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及考慮通訊的可靠性，于適當(dāng)位置設(shè)置數(shù)只ZigBee中繼路由器。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意如圖4。
公司通過建立ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案的工廠試點(diǎn)工程，對(duì)ANEZB無線ZigBee通訊模塊的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。詳細(xì)參數(shù)見表3。
注1：以上表中數(shù)據(jù)是試點(diǎn)工程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)際情況實(shí)施時(shí)，應(yīng)視樓宇實(shí)際結(jié)構(gòu)而定。
注2：無線信號(hào)穿透能力，往往還會(huì)受到如房間堆放物品的數(shù)量，堆放物品的高度等影響。
4 結(jié)束語
基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)配電管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式比較靈活，而且減少了布線工作量，解決了有線通信方式帶來的布線難度大、成本高和升級(jí)維護(hù)困難等問題。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在此能源管理系統(tǒng)中取得了成功的應(yīng)用，通過設(shè)定一些閾值及條件，電燈可依照亮度傳感器的感知數(shù)據(jù)及夏令、冬令時(shí)間自行開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了物物感知、智能控制的效果，而云技術(shù)的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)了免IT基礎(chǔ)設(shè)施的用戶應(yīng)用即時(shí)發(fā)布，了IT設(shè)備采購周期、IT維護(hù)等因素的影響。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將使人們的生活更加便捷、更加智能化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)越來越多的被應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也會(huì)從目前的局限于一個(gè)工廠、一棟樓宇的局域感知型物聯(lián)網(wǎng)，向大范圍、眾多不同設(shè)備互聯(lián)的廣域感知型物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。但是由于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還沒有相關(guān)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，且物聯(lián)網(wǎng)本身的定義還存在爭論，因此，普及的大范圍廣域物聯(lián)網(wǎng)還有許多路要走。
作者簡介：
師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芙ㄖ┡潆姳O(jiān)控系統(tǒng)
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