Zigbee物联网无线网络电能管理系统设计与选型方案模板.doc

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RS485ZigBee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 V10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 kbs(工作在24 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310 S、Wi-Fi需3 S。(4)近距离，高容量。传输范围通常介于10100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到13 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24 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ACR330ELHLCD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ACR220ELLCD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ACR120ELLCD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-485ZigBee采集器ANEZB-GTWZigBee网络终端无线频率范围2.41GHz2.48GHzRF信道16接收灵敏度-94dbm发射功率-27dbm25dbm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897674mm工作温度-2065储藏温度-40853.2 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2500EPSON-LQ1600KIIIH A3台4000UPS电源山特C1KS台5000山特C2KS台6500通讯机柜1200600600面30002200600600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1104万设备数量11206万设备数量21408万设备数量418010万元以上设备数量80以上双机版套单机价格1.5数据转发每+1用户套3000Web公布每+1用户（总用户数5）套5000ZigBee无线模块ANEZB-485台1200ANEZB-GTW台1500电力仪表ACR330ELH台4860ACR220ELH台4280ACR120ELH台3580导轨式安装电表DTSD1352台2050DTSF1352台1200DDSF1352台600DDSD1352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