ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统

1.1　概述
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZIGBEE，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。
由于ZIGBEE的*特性，基于ZIGBEE技术的无线组网是一种比较合适的下行信道的实现手段。适合应用于一些短距离的无线网络的组网，例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等，适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中。而若将其与成熟的工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，与后台管理主站组成一个完整的集抄和监控系统，则可以为远程管理提供一个的解决方案。ZIGBEE与其他“后一公里”技术比较见表1。

表1　ZIGBEE与其他“后一公里”技术的比较

1.2　ZIGBEE技术特点
ZIGBEE协议基于IEEE 802.15.4标准，从2004年发布ZIGBEE V1．0到的增加了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等短距离无线通讯技术相比较，ZIGBEE的特点主要有：

图1　ZIGBEE网络拓扑分类

（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的大通信速率达到250 kb／s（工作在2．4 GHz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3～10 S、Wi-Fi需3 S。
（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1~3 km。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，多一个主节点可管理254个子节点。
（5）高可靠性和高性。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时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。ZIGBEE还提供了3级模式，包括无设定、使用接人控制清单防止非法获取数据以及采用加密标准（AdvancedEncryption Standard，AES）的对称密码，以灵活确定其属性。
（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2．4 GHz（）、915 MHz（美国）和868 MHz（欧洲）。

1.3　ZIGBEE（物联网）无线网络电能管理系统的体系结构
图2为ZIGBEE（物联网）无线网络电能管理系统网络拓扑图，整个网络主要由四部分组成：计量仪表、本地无线通信网络、远方通信网络以及数据交换设备。整个网络由计量仪表、ZIGBEE采集器（负责与仪表之间的通信）、ZIGBEE网络终端（负责与上层通讯网络的对接，譬如工业以太网等）、上层通信网络和数据交换存储设备。ZIGBEE无线通信管理系统一般采用的组网方式是MESH的网状网络，MESH网络能更好得保证通信质量，保证单一节点出现故障时不影响其他节点通信状态。

图2　无线网络拓扑图

1.4　ZIGBEE（物联网）无线网络电能管理系统解决方案
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3

图3　ZIGBEE（物联网）无线网络电能管理系统解决方案组网示意图

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2。

表2　ANEZB系列ZIGBEE通讯模块性能参数表

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。

1.5　性能参数

1.6　接线方式

1.6.1 ZIGBEE采集器

1.6.2 ZIGBEE网络终端

1.7　外形与安装尺寸（mm）

1.7.1 ZIGBEE采集器

1.7.2 ZIGBEE网络终端

1.7.3 安装方式
采用35mm标准导轨安装