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ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统设计和选型方案
陆晓君
上海安科瑞电气股份 上海 嘉定 01
一．概述
伴随无线通信技术不停发展，多年来出现了面向低成本设备无线联网要求技术，称之为ZigBee，它是一个近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本双向无线通信技术，关键适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。
因为ZigBee优越特征，基于ZigBee技术无线组网是一个比较适宜下行信道实现手段。适合应用于部分短距离无线网络组网，比如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络，适适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适适用于部分布线困难旧楼改造能耗管理系统中。而若将其和成熟工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，和后台管理主站组成一个完整集抄和监控系统，则能够为远程管理提供一个有效处理方案。ZigBee和其它最终一公里通讯技术比较见表1。

载波
RS485
ZigBee无线
建网难度
简单
困难
简单
一次性投资
小
通常
较大
运行维护
困难
比较困难
轻易
通信速度
低
高
高
可靠性
差
通常
好
实时监控
不能
能
能

表1 ZigBee和其它“最终一公里”技术比较

二．ZigBee技术特点
ZigBee协议基于IEEE 802.15.4标准，从公布ZigBee V1．0到最新增加了ZigBee-PRO扩展指令集ZigBee本，ZIGBEE功效不停强大。ZigBee含有强大设备联网功效(见图1)，它支持3种关键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)，尤其是网状结构，含有很强网络健壮性和系统可靠性。和现在普遍应用wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通讯技术相比较，ZigBee特点关键有：

图1 ZigBee网络拓扑分类
(1)工作周期短、收发信息功耗较低，而且RFD(Reduced Function Device，简化功效器件)采取了休眠模式，不工作时全部能够进入睡眠模式。
(2)低成本。经过大幅简化协议(不到蓝牙1/10)，降低了对通信控制器要求，以80518位微控制器测算，全功效主节点需要32KB代码，子功效节点少至4 KB代码。
(3)低速率、短延时。ZigBee最大通信速率达成250 kb／s(工作在2．4 GHz时)，满足低速率传输数据应用需求。ZigBee响应速度较快，通常从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，深入节省了电能。相比较，蓝牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距离，高容量。传输范围通常介于10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。这指是相邻节点间距离，若经过路由和节点间通信接力，扩展后达成几百米甚至几公里。ZigBee可采取星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
(5)高可靠性和高安全性。ZigBee媒体接入控制层(Medium Access Control，MAC)采取CSMA/CA碰撞避免机制，同时为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时竞争和冲突。ZigBee还提供了3级安全模式，包含无安全设定、使用接人控制清单预防非法获取数据和采取高级加密标准(AdvancedEncryption Standard，AES)对称密码，以灵活确定其安全属性。
(6)免执照频段。采取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(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。

三 ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统表计选型方案
应用场所

型号
关键功效
高压关键回路或低压进线柜

ACR330ELH
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压和电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约
低压联络柜、出线柜

ACR220EL
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议
动力柜

ACR120EL
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议

DTSD1352
(ADL3000)
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选
照明箱

DTSF1352
(ADL300)
电流规格1.5(6)A、
5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选
三相电能计量
DDSF1352
(ADL100)
电流、电压测量；单相电能计量
DDSD1352
电流规格10(60)A、可编程、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约可选
全电参量测量
（I、U、P、Q、S、PF、F）
单相电能计量
数据无线传输

ANEZB-485 ZIGBEE采集器
采集来自485总线上数据、完成485信号转成无线信号、导轨式安装

ANEZB-GTW ZIGBEE网络终端
接收来自以太网上数据、完成以太网信号转成无线信号、导轨式安装

3.1 ZigBee采集器/终端关键参数见表2。
表2
型号 参 数
ANEZB-485
ZigBee采集器
ANEZB-GTW
ZigBee网络终端
无线
频率范围
2.41GHz~2.48GHz
RF信道
16
接收灵敏度
-94dbm
发射功率
-27dbm~25dbm
天 线
外置SMA天线
网络拓扑
网状
寻址方法
IEEE802.15.4/ZigBee标准地址
网络容量
最大255个节点
通信接口
通信接口
RS485
工业以太网
波特率
9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选；
通信协议
MODBUS-RTU协议
LED指示
网络状态指示
绿灯
POWER指示
红灯
数据指示
绿灯
电源
辅助电源
220V AC
功耗
4W
电磁兼容
浪涌电压4000V
快速瞬变群脉冲4000V
静电8000V
机械尺寸
89×76×74mm
工作温度
-20℃~65℃
储藏温度
-40℃~85℃

3.2 ZigBee采集器 见图3.2

图3.2 ANEZB-485采集器接线

3.3 ZigBee网络终端 见图3.3

图3.3 ANEZG-GTW网络终端接线图

四 ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统
不管是有线还是无线，电能管理系统总会受到环境、距离和场所等原因影响而各有其不一样处理方案。基于ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统也不会脱离这个约束，它也会由环境、距离和场所等原因影响而异，有不一样处理方案。因为ZigBee定位是短距离通信，应用于写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络时，它所考虑原因相对要少。
图4为ZigBee无线集抄系统单个子网组成示意图，整个系统前面叙述系统体系结构组成一样，关键由上行网络工业以太网和下行网络ZigBee无线局域网络组成。整个子网关键由电表、ZigBee采集器和ZigBee网络终端组成。电表能够采取ACREL1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等，它们和ZigBee采集器之间采取RS485通讯，采取MODBUS通信协议；ZigBee采集器下面最多能够连接32个表；因为MODBUS地址有限，整个ZigBee子网中最多能连接255个表；为了保障通信连接可靠性，有时候要视环境和距离情况，需要多加多个路由功效网络节点（ZigBee采集器配置成路由功效），以确保有些孤远节点通信正常；另外考虑到无线网络拥塞度和实时性传输，提议整个子网中无线节点（即ZigBee采集器）个数不应大于60个，这么能确保网络中通信质量。每个ZigBee子网全部有各自ID识别和频段划分，这么能够帮助扩充更多表计数。

图4 ZigBee无线集抄系统单个子网组成示意图

五 应用实例
图5.1为ZigBee能源管理系统，远程通信网络采取工业以太网络，网络中电表通信协议采取MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机经过以太网根据TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传输给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再经过单点对多点通信模式，以广播方法把命令数据帧传输给ZigBee无线网络中各个ZigBee采集器，经过ZigBee采集器传输给485总线上各个表计，假如表计地址和命令帧中所包含地址吻合，则做出对应数据回复，经过原路返回给监控主机。
整个系统能够监测整个厂区或整幢楼宇等各个分项电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室耗电量、各条生产线耗电量等等，还能够以报表形式分析该工厂在一段时时间内各个分项能耗占总能耗百分比，方便工厂了解这段时间里各个分项能耗，以制订出往后能耗管理方案，已达成节能减耗效果。
现在整个系统在江苏安科瑞实施运行，根据分项计量标准，把厂区内各路进线和出线进行分项计量，图5.2就是该厂区配电图，整个系统对全部进线回路进行监控，并全部使用ZigBee采集模块进行数据采集监控，其中包含电流、电压、电能等参数，及部分简单开关量控制。系统还对部分支路进行监视，譬如生产线、办公楼、空调等等进行全方位监视，这么方便工厂了解各项数据，方便制订更具体节能方案。

图5.1 ZigBee能源管理系统

图5.2 厂区配电图

该项目整个ZigBee能源管理系统采取无线模块为21个，包含各类表记82个块。图5.3为ZigBee能源管理系统中通信图，它列出了整个系统包含全部表计。其中配电室14个表经过485总线连接到一个ZigBee采集模块进行无线通信，各个空调插座因为比较分散，各采取一个ZigBee采集模块，等等。具体视表计离散情况，集中在一起用485总线连接一个模块，分散分别连接一个模块。以这么方法比较灵活，降低布线带来困难。

图5.3 ZigBee能源管理系统通信图

整个系统运行良好，已经在现场运行了一段时间。图5.4为一段时间内主进线电流趋势图，它实时反应了工厂这段时间内电流情况，从而反应整个厂区负荷情况。

图5.4 一段时间内主进线电流趋势图

图5.5为一段时间内进线回路各项参数具体数值，它具体地统计了进线回路三相电压、电流、有功电能、无功效电能、功率原因、频率参数。整个厂区各回路电能汇总图5.6所表示，它统计了一段时间内各个回路耗电情况，包含各回路进行柜总电能及分支电能。

图5.5 一段时间内进线回路各项参数

图5.6 各回路电能汇总

六 系统报价
单位：元（RMB）
名称
型号
单位
面价
备注
监控主机
IPC610H/PIV2.8G/1G/120G/166x DVD/KB+MS/D-Link530+外设
台
8500
均可用户自备，以当初市场价格为准，该报价仅供参考
显示器
三星19寸液晶显示器
台
3000
三星22寸液晶显示器
台
3800
打印机
HP LaserJet 1020 A4
台
2500
EPSON-LQ1600KIIIH A3
台
4000
UPS电源
山特C1KS
台
5000
山特C2KS
台
6500
通讯机柜
1200×600×600
面
3000
2200×600×600
面
5000
通讯转换
扩展卡ACRNET-PCI/4
块
3000
扩展卡
串口服务器ACRNET-PORT(2口)
只
3000
串口服务器
串口服务器ACRNET-PORT(4口)
只
5500
通讯前置机ACRNET-UC02(2口)
只
4000
通讯前置机
通讯前置机ACRNET-UC04(4口)
只
6000
通讯前置机ACRNET-UC08(8口)
只
11500
通讯管理机ACRHMI
台
30000
人机界面
组网设备
网络交换机EDS-208
台
3000
局域组网
网络交换机EDS-408
台
8500
监控软件
Acrel监控组态软件V6.0
系统组态软件
图形组态软件
电能管理软件
数据库软件
套
3万
设备数量1～10
4万
设备数量11～20
6万
设备数量21～40
8万
设备数量41～80
10万元以上
设备数量80以上
双机版

套

单机价格×1.5
数据转发
每+1用户
套
3000

Web公布
每+1用户（总用户数≤5）
套
5000

ZigBee
无线模块
ANEZB-485
台
1200

ANEZB-GTW
台
1500

电力仪表
ACR330ELH
台
4860

ACR220ELH
台
4280

ACR120ELH
台
3580

导轨式安装电表
DTSD1352
台
2050

DTSF1352
台
1200

DDSF1352
台
600

DDSD1352
台
2950

注：ZigBee无线模块、电力仪表、导轨式安装电表可按上述报价70%优惠供给。

七 结束语
ZigBee技术在就被列为当今世界发展最快，市场前景最宽广十大最新技术中一个，ZigBee（物联网）无线网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于多种自动控制领域。

作者介绍：
1、 陆晓君，研究方向为电能管理技术 Tel: Fax:[phone] Email:acrellxj@