物聯(lián)網(wǎng)(ZigBee)技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、物聯(lián)網(wǎng)(ZigBee技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用劉細(xì)鳳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(shù)的能源管理系統(tǒng)設(shè)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(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程能源管理。系統(tǒng)運行結(jié)果表明運用物聯(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,最后展望了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價值和技術(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(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命。不

2、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(dāng)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(shè)現(xiàn)場總線,然后將現(xiàn)場設(shè)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(dāng)數(shù)據(jù)量較大時可能需要單獨的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,而如果需要實現(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)的維護除現(xiàn)場級設(shè)備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協(xié)助維護服務(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,底層運用無線傳感網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場傳感器及設(shè)備,上層使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù),消除現(xiàn)

3、場級布線的煩惱,可以消除網(wǎng)絡(luò)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(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公司提供的平臺及解決方案,因此,在系統(tǒng)具體實現(xiàn)的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)定義,只是在大體的技術(shù)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(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)

4、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:第一,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)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò);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(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)和人工智能與自動化技術(shù)聚合與集成應(yīng)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(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)在三個方面:一是互聯(lián)網(wǎng)特征,即對需要聯(lián)網(wǎng)

5、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(luò)系統(tǒng)應(yīng)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(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,最終接入互聯(lián)網(wǎng)。云技術(shù)強大的存儲、查詢、計算能力,也都?xì)w屬在這一層。三、根

6、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(wù)的應(yīng)用層。應(yīng)用層是對感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。1.3ZigBee技術(shù)的特點ZigBee協(xié)議基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),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(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

7、比較,ZigBee的特點主要有。 圖1ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?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(lán)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4KB代碼。(3低速率、短延時。ZigBee的最大通信速率達(dá)到250kb/s(工作在2.4GHz時,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)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進一步節(jié)省了

8、電能。相比較,藍(lán)牙需310S、Wi-Fi需3S。(4近距離,高容量。傳輸范圍一般介于10100m,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到13km。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(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(wù)預(yù)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(shè)定、使用接

9、人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(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(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical,ISM頻段,分別為2.4GHz(全球、915MHz(美國和868MHz(歐洲。1.4ZigBee的性能參數(shù)以Acrel公司ANEZB-485ZigBee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2.1工作原理能源管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對區(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

10、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)自愈能力強等特點,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ZigBee私域網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)相互之間的連接。網(wǎng)關(guān)可進行本地邏輯運算,實現(xiàn)本地智能。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場采集執(zhí)行器、本地數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用服務(wù)程序等幾個部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。 現(xiàn)場采集執(zhí)行器本地數(shù)據(jù)處理應(yīng)用服務(wù)程序圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(1現(xiàn)場采集執(zhí)行器:主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表(2應(yīng)用服務(wù)程序:運行于Google云技術(shù)服務(wù)平臺,基于Google App En

11、gine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)備運行狀態(tài),以及能耗數(shù)據(jù)報表等信息。3能源管理系統(tǒng)計量體系宜選電力儀表建立能源管理系統(tǒng)應(yīng)先建立計量體系。數(shù)據(jù)先于決策,節(jié)能始于計量。為了不重復(fù)投資,造成浪費,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)。電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表,不宜用收費電表。在電能管理中,供電部門一般會在總進線處安裝收費電表?？紤]內(nèi)部電能計量與節(jié)能管理的需要,在用戶安裝收費電表的基礎(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

12、部分的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路、各功能區(qū)的分項電能數(shù)據(jù)的采集,通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。表2收費電表與電力儀表之比較內(nèi)容收費電表電力儀表 外形圖安裝方式掛壁式安裝,應(yīng)單獨設(shè)置電表箱,不易安裝在低壓柜、動力箱、照明箱內(nèi)導(dǎo)軌式安裝,易安裝在動力箱、照明箱內(nèi)嵌入式安裝,易安裝在低壓柜、動力箱的門板上通訊規(guī)約DL/T645規(guī)約與配電系統(tǒng)不兼容Modbus 協(xié)議或DL/T645規(guī)約,Modbus 協(xié)議可與配電系統(tǒng)兼容4ZigBee 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。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過

13、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,網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式,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ZigBee采集器,通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計,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(yīng)的數(shù)據(jù)回復(fù),通過原路返回給監(jiān)控主機。整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項的電能計量,譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等,還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項能耗占總能耗的百分比,以便工廠了解這段時間里的各個分項的能耗,以制定出往后能

14、耗管理方案,已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。 圖3ZigBee 能源管理系統(tǒng)安科瑞為生產(chǎn)基地江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計的針對生產(chǎn)用電進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),整個系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZigBee 與RS485混合組網(wǎng)模式。整個廠區(qū)共設(shè)8個集中監(jiān)測點,分別位于配電間、層配生產(chǎn)動力柜、空調(diào)動力柜、排風(fēng)機控制箱及位于配電末端的幾個照明控制箱。每個監(jiān)測點各設(shè)置無線ZigBee 采集器一只,通過RS485總線對位于該監(jiān)測點的電能計量儀表進行通訊組網(wǎng);監(jiān)控中心設(shè)置ZigBee 網(wǎng)絡(luò)終端一只,結(jié)合現(xiàn)場實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

15、器。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意如圖4。 圖4ZigBee(物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)解決方案組網(wǎng)示意圖 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工程,對ANEZB 無線ZigBee 通訊模塊的實際參數(shù)進行了驗證。詳細(xì)參數(shù)見表3。參數(shù)備注系統(tǒng)容量工作頻段 2.4GHz 不同信道,不同ID 可以組成不同的子網(wǎng)。無線信道16個網(wǎng)絡(luò)ID 數(shù)255個子網(wǎng)容量ZigBee 網(wǎng)絡(luò)終端1個網(wǎng)絡(luò)中有時需要犧牲一些ZigBee 采集器 表計容量 條件 空曠無障礙地方傳輸距離 24cm 厚磚墻，寬 4 米的房間 單堵 24cm 厚磚墻 16cm 混 凝 土 樓板，層高 4 米 向上傳輸 向下傳輸

16、30 個 254 個 穿透距離（單位：米） 1200 16（3 堵墻） 40 8（2 層板） 4（1 層板） ZigBee 采 集 器 只 作 中 繼 路 由，防止個別節(jié)點通信不上。 備注 建議安裝在靠近外墻， 效果更 好。 注 1：以上表中數(shù)據(jù)是試點工程中的實測數(shù)據(jù)。在實際情況實施時，應(yīng)視樓宇實際結(jié)構(gòu)而定。 注 2：無線信號穿透能力，往往還會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，而且有效減少了布線工作量，解決了 有線通信方式帶來的布線難度大、成本高和升級維護困難等問題。 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、冬令時間自行開關(guān)，實現(xiàn)了物物感知、智能控制的效果，而云技 術(shù)的運用實現(xiàn)了免IT基礎(chǔ)設(shè)施的用戶應(yīng)用即時發(fā)布，徹底消除了IT設(shè)備采購周期、IT維護等因素 的影響。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將使人們的生活更加便捷、