1.1ZigBee（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng) 概述
隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網要求的技術，稱之為ZIGBEE，它是種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯(lián)網。
由于ZIGBEE的越特性，基于ZIGBEE技術的無線組網是種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應用于些短距離的無線網絡的組網，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等，適用于企業(yè)內部能耗監(jiān)測及管理系統(tǒng)，尤其適用于些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供個有效的解決方案。ZIGBEE與其他“zui后公里”技術比較見表1。 物聯(lián)網（IOT）產業(yè)已經成為當下行業(yè)變革的主要動力。通過對其客戶的數(shù)據(jù)使用量進行多重分析，Verizon的專家認為，在物聯(lián)網與4個宏觀大趨勢進步結合后，其市場景將越來越廣闊，并zui終促使其被消費者和企業(yè)用戶所接受。4大主流趨勢帶動物聯(lián)網成時代"新主角"
表1 ZIGBEE與其他“zui后公里”技術的比較 | 載波PLC | RS485 | ZIGBEE無線 | 建網難度 | 簡單 | 困難 | 簡單 | 次性投資 | 小 | 般 | 較大 | 運行維護 | 困難 | 比較困難 | 容易 | 通信速度 | 低 | 高 | 高 | 可靠性 | 差 | 般 | 好 | 實時監(jiān)控 | 不能 | 能 | 能 |
1.2 ZigBee（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng) ZIGBEE技術特點
ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布ZIGBEE V1．0到的增加了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)網功能（見圖1），它支持3種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構（Star）、網狀結構（Mesh）和樹型結構（Cluster Tree），特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，ZIGBEE的特點主要有： 
圖1 ZIGBEE網絡拓撲分類 ?。?）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。
?。?）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zui大通信速率達到250 kb／s（工作在2．4 GHz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，般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網絡只需30ms，進步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
（4）近距離，高容量。傳輸范圍般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。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、片狀和網狀網絡結構。由個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，zui多個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
?。?）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（AdvancedEncryption Standard，AES）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
?。?）免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，分別為2．4 GHz（）、915 MHz（美）和868 MHz（歐洲）。 1.3 ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng)的體系結構
圖2為ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng)網絡拓撲圖，整個網絡主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網絡、遠方通信網絡以及數(shù)據(jù)交換設備。整個網絡由計量儀表、ZIGBEE采集器（負責與儀表之間的通信）、ZIGBEE網絡終端（負責與上層通訊網絡的對接，譬如工業(yè)以太網等）、上層通信網絡和數(shù)據(jù)交換存儲設備。ZIGBEE無線通信管理系統(tǒng)般采用的組網方式是MESH的網狀網絡，MESH網絡能好得保證通信質量，保證單節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。 
圖2 無線網絡拓撲圖 1.4 ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng)解決方案
安科瑞為生產基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設計的針對生產用電進行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡的電能管理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的組網采用ZIGBEE與RS485混合組網模式。
整個廠區(qū)共設8個集中監(jiān)測點，分別位于配電間、層配生產動力柜、空調動力柜、排風機控制箱及位于配電末端的幾個照明控制箱。每個監(jiān)測點各設置無線ZIGBEE采集器只，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；監(jiān)控中心設置ZIGBEE網絡終端只，結合現(xiàn)場實際情況及考慮通訊的可靠性，于適當位置設置數(shù)只ZIGBEE中繼路由器。系統(tǒng)的組網示意如圖3 
圖3 ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng)解決方案組網示意圖 公司通過建立ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(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。詳細參數(shù)見表2。 表2 ANEZB系列ZIGBEE通訊模塊性能參數(shù)表 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。 | 無線信道 | 16個 | 網絡ID數(shù) | 255個 | 子網容量 | | ZIGBEE網絡終端 | 1個 | 網絡中有時需要犧牲些ZIGBEE采集器只作中繼路由，防止個別節(jié)點通信不上。 | ZIGBEE采集器 | ≤30個 | 表計容量 | ≤254個 | 條件 | 穿透距離（單位：米） | 備注 | 空曠無障礙地方傳輸距離 | 1200 | | 24cm厚磚墻，寬4米的房間 | 16（3堵墻） | 建議安裝在靠近外墻，效果好。 | 單堵24cm厚磚墻 | 40 | 16cm混凝土樓板，層高4米 | 向上傳輸 | 8（2層板） | 向下傳輸 | 4（1層板） |
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，應視樓宇實際結構而定。
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。 1.5 性能參數(shù) | ANEZB-485ZIGBEE采集器 | ANEZB-GTWZIGBEE網絡終端 | 無線 | 頻率范圍 | 2.41GHz~2.48GHz | RF信道 | 16 | 接收靈敏度 | -94dbm | 發(fā)射功率 | -27dbm~25dbm | 天 線 | 外置SMA天線 | 網絡拓撲 | 網狀 | 尋址方式 | IEEE802.15.4/ZIGBEE標準地址 | 網絡容量 | zui大255個節(jié)點 | 通信接口 | 通信接口 | RS485 | 工業(yè)以太網 | 波特率 | 9600bps（默認）、4800bps、2400bps、1200bps可選； | 通信協(xié)議 | MODBUS-RTU協(xié)議 | LED指示 | 網絡狀態(tài)指示 | 綠燈 | POWER指示 | 紅燈 | 數(shù)據(jù)指示 | 綠燈 | 電源 | 輔助電源 | 220V AC | 功耗 | 4W | 電磁兼容 | 浪涌電壓4000V | 快速瞬變群脈沖4000V | 靜電8000V | 機械尺寸 | 89*76*74 | 工作溫度 | -20℃~65℃ | 儲藏溫度 | -40℃~85℃ |
1.6 接線方式 1.6.1 ZIGBEE采集器  
1.6.2 ZIGBEE網絡終端  
1.7 外形與安裝尺寸（mm）
1.7.1 ZIGBEE采集器 
1.7.2 ZIGBEE網絡終端 
1.7.3 安裝方式
采用35mm標準導軌安裝
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