物聯(lián)網(wǎng)（ZigBee）技術在能源管理系統(tǒng)中的應用

安科瑞陳海霞

上海安科瑞電氣股份有限公司   嘉定   201801

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技術的能源管理系統(tǒng)設計方案，給出了物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的組成、特點及性能參數(shù)，描述了ZigBee數(shù)據(jù)通訊、互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)遠程能源管理。系統(tǒng)運行結(jié)果表明運用物聯(lián)網(wǎng)技術的能源管理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，從而達到了節(jié)能減耗的效果，最后展望了物聯(lián)網(wǎng)的應用價值和技術的發(fā)展前景，并指出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的困難。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)  ZigBee  無線  能源管理  網(wǎng)絡電力儀表

0 　引言

無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨，物聯(lián)網(wǎng)被專家及多個國家認為是繼互聯(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，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國，都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當下最熱門最具競爭性的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)一般需要布設現(xiàn)場總線，然后將現(xiàn)場設備連接到一臺電腦進行數(shù)據(jù)處理并向用戶顯示界面，當數(shù)據(jù)量較大時可能需要單獨的數(shù)據(jù)處理服務器，而如果需要實現(xiàn)跨地區(qū)的遠程管理，更是需要在互聯(lián)網(wǎng)上架設一臺專門的服務器，這樣，不僅需要投入服務器等網(wǎng)絡設備以及開發(fā)相應的服務軟件，系統(tǒng)的維護除現(xiàn)場級設備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協(xié)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(lián)網(wǎng)技術引入到遠程能源管理系統(tǒng)中來，底層運用無線傳感網(wǎng)絡連接現(xiàn)場傳感器及設備，上層使用互聯(lián)網(wǎng)技術服務，消除現(xiàn)場級布線的煩惱，可以消除網(wǎng)絡硬件的投入及日常的IT維護，同時可以輕松實現(xiàn)基于WEB服務的遠程管理。由于本文所述的能源管理系統(tǒng)采用安科瑞（Acrel）公司提供的平臺及解決方案，因此，在系統(tǒng)具體實現(xiàn)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(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 

目前國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)也還沒有一個統(tǒng)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(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。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：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)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(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現(xiàn)代網(wǎng)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(chuàng)造一個智慧的世界。因為物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展幾乎涉及到了信息技術的方方面面，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應用與發(fā)展，也因此才被稱為是信息技術的第三次革命性創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(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；二是識別與通信特征，即納入物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡系統(tǒng)應具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。 

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)采集控制設備，及構(gòu)成這些設備互聯(lián)的底層傳感網(wǎng)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(wǎng)絡，組成了物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎。 

二、將底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層運用各種接入技術：如以太網(wǎng)、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至衛(wèi)星通訊等，最終接入互聯(lián)網(wǎng)。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(jù)客戶自身需求，利用感知數(shù)據(jù)或狀態(tài)為用戶提供有效的特定服務的應用層。應用層是對感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。

1.3 ZigBee技術的特點

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(見圖1)，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，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)，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)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。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲分類

(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，不工作時都可以進入睡眠模式。

(2)低成本。通過大幅簡化協(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(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)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(shù)據(jù)的應用需求。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)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(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)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(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)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(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)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(shù) 

以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee網(wǎng)絡終端為例，其主要參數(shù)見表1.

表1

2 　能源管理系統(tǒng)的設計 

2.1 工作原理