zigbee(物聯(lián)網(wǎng))無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案
戚培躍
上海安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801
1.概述
隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù),稱之為zigbee,它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù),主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
由于zigbee的優(yōu)越特性,基于zigbee技術(shù)的無(wú)線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng),例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò),適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng),尤其適用于一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(wǎng)和gprs/cdma上行信道結(jié)合,與后臺(tái)管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng),則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個(gè)有效的解決方案。zigbee與其他zui后一公里通訊技術(shù)比較見(jiàn)表1。
載波
rs485
zigbee無(wú)線
建網(wǎng)難度
簡(jiǎn)單
困難
簡(jiǎn)單
一次性投資
小
一般
較大
運(yùn)行維護(hù)
困難
比較困難
容易
通信速度
低
高
高
可靠性
差
一般
好
實(shí)時(shí)監(jiān)控
不能
能
能
表1 zigbee與其他“zui后一公里”技術(shù)的比較
2.zigbee技術(shù)特點(diǎn)
zigbee協(xié)議基于ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),從2004年發(fā)布zigbee v1.0到的增加了zigbee-pro擴(kuò)展指令集的zigbee2006版本,zigbee功能不斷強(qiáng)大。zigbee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見(jiàn)圖1),它支持3種主要的自組織無(wú)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(shù)型結(jié)構(gòu)(cluster tree),特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有很強(qiáng)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(wú)線通訊技術(shù)相比較,zigbee的特點(diǎn)主要有:
圖1 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?br>(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低,并且rfd(reduced function device,簡(jiǎn)化功能器件)采用了休眠模式,不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。
(2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對(duì)通信控制器的要求,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32kb代碼,子功能節(jié)點(diǎn)少至4 kb代碼。
(3)低速率、短延時(shí)。zigbee的zui大通信速率達(dá)到250 kb/s(工作在2.4 ghz時(shí)),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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需3~10 s、wi-fi需3 s。
(4)近距離,高容量。傳輸范圍一般介于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(diǎn)間的距離,若通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,擴(kuò)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),zui多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
(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(jī)制,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了時(shí)隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。zigbee還提供了3級(jí)安全模式,包括無(wú)安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用加密標(biāo)準(zhǔn)(advancedencryption standard,aes)的對(duì)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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(industrial scientific medical,ism)頻段,分別為2.4 ghz()、915 mhz(美國(guó))和868 mhz(歐洲)。
3 zigbee(物聯(lián)網(wǎng))無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)表計(jì)的選型方案
應(yīng)用場(chǎng)合
型號(hào)
主要功能
高壓重要回路或低壓進(jìn)線柜
acr330elh
lcd顯示、全電參量測(cè)量(u、i、p、q、pf、f、s);四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì);thdu,thdi、2-31次各次諧波分量;電壓波峰系數(shù)、波形因子、電流k系數(shù)、電壓與電流不平衡度計(jì)算;電網(wǎng)電壓電流正、負(fù)、零序分量(含負(fù)序電流)測(cè)量;4di+3do(do3做過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、不平衡報(bào)警);rs485通訊接口、modbus協(xié)議或dl/t645規(guī)約
低壓聯(lián)絡(luò)柜、出線柜
acr220el
lcd顯示、全電參量測(cè)量(u、i、p、q、pf、f);四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、zui大需量統(tǒng)計(jì);4di+2do;rs485通訊接口、modbus協(xié)議
動(dòng)力柜
acr120el
lcd顯示、全電參量測(cè)量(u、i、p、q、pf、f);四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、zui大需量統(tǒng)計(jì);4di+2do;rs485通訊接口、modbus協(xié)議
dtsd1352
(adl3000)
lcd顯示、全電參量測(cè)量(u、i、p、q、pf、f、s);四象限電能計(jì)量、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、zui大需量統(tǒng)計(jì);電流規(guī)格1.5(6)a、5(20)a、10(40)a、20(80)a可選、rs485通訊接口、modbus協(xié)議或dl/t 645規(guī)約可選
照明箱
dtsf1352
(adl300)
電流規(guī)格1.5(6)a、
5(20)a、10(40)a、20(80)a可選、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、rs485通訊接口、modbus協(xié)議或dl/t 645規(guī)約可選
三相電能計(jì)量
ddsf1352
(adl100)
電流、電壓測(cè)量;單相電能計(jì)量
ddsd1352
電流規(guī)格10(60)a、可編程、復(fù)費(fèi)率電能統(tǒng)計(jì)、電能脈沖輸出、rs485通訊接口、modbus協(xié)議或dl/t645規(guī)約可選
全電參量測(cè)量
(i、u、p、q、s、pf、f)
單相電能計(jì)量
數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸
anezb-485 zigbee采集器
采集來(lái)自485總線上的數(shù)據(jù)、完成485信號(hào)轉(zhuǎn)成無(wú)線信號(hào)、導(dǎo)軌式安裝
anezb-gtw zigbee網(wǎng)絡(luò)終端
接收來(lái)自以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)、完成以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)成無(wú)線信號(hào)、導(dǎo)軌式安裝
3.1 zigbee采集器/終端主要參數(shù)見(jiàn)表2。
表2
型號(hào) 參 數(shù)
anezb-485
zigbee采集器
anezb-gtw
zigbee網(wǎng)絡(luò)終端
無(wú)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br> 網(wǎng)狀
尋址方式
ieee802.15.4/zigbee標(biāo)準(zhǔn)地址
網(wǎng)絡(luò)容量
zui大255個(gè)節(jié)點(diǎn)
通信接口
通信接口
rs485
工業(yè)以太網(wǎng)
波特率
9600bps(默認(rèn))、4800bps、2400bps、1200bps可選;
通信協(xié)議
modbus-rtu協(xié)議
led指示
網(wǎng)絡(luò)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?nèi)好}沖4000v
靜電8000v
機(jī)械尺寸
89×76×74mm
工作溫度
-20℃~65℃
儲(chǔ)藏溫度
-40℃~85℃
3.2 zigbee采集器 見(jiàn)圖3.2
圖3.2 anezb-485采集器接線
3.3 zigbee網(wǎng)絡(luò)終端 見(jiàn)圖3.3
圖3.3 anezg-gtw網(wǎng)絡(luò)終端接線圖
4 zigbee(物聯(lián)網(wǎng))無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)
不管是有線還是無(wú)線,電能管理系統(tǒng)總會(huì)受到環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而各有其不同的解決方案?;趜igbee(物聯(lián)網(wǎng))無(wú)線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)也不會(huì)脫離這個(gè)約束,它也會(huì)由環(huán)境、距離和場(chǎng)合等因素的影響而異,有不同的解決方案。由于zigbee的定位是短距離的通信,應(yīng)用于寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無(wú)線抄表網(wǎng)絡(luò)時(shí),它所考慮的因素相對(duì)要少。
圖4為zigbee無(wú)線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖,整個(gè)系統(tǒng)前面闡述的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的組成一樣,主要由上行網(wǎng)絡(luò)工業(yè)以太網(wǎng)和下行網(wǎng)絡(luò)zigbee無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個(gè)子網(wǎng)主要由電表、zigbee采集器以及zigbee網(wǎng)絡(luò)終端組成。電表可以采用acrel的1352系列卡式電能表和acr網(wǎng)絡(luò)電力儀表等,它們與zigbee采集器之間采用rs485通訊,采用modbus通信協(xié)議;zigbee采集器下面zui多可以連接32個(gè)表;由于modbus地址有限,整個(gè)zigbee子網(wǎng)中zui多能連接255個(gè)表;為了保障通信連接的可靠性,有的時(shí)候要視環(huán)境和距離的情況,需要多加幾個(gè)路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(zigbee采集器配置成路由功能),以保證有些孤遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信正常;另外考慮到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實(shí)時(shí)性傳輸,建議整個(gè)子網(wǎng)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)(即zigbee采集器)的個(gè)數(shù)不應(yīng)大于60個(gè),這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個(gè)zigbee子網(wǎng)都有各自的id識(shí)別和頻段的劃分,這樣可以幫助擴(kuò)充更多的表計(jì)數(shù)。
圖4 zigbee無(wú)線集抄系統(tǒng)單個(gè)子網(wǎng)組成示意圖
5 應(yīng)用實(shí)例
圖5.1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(gè)系統(tǒng)中監(jiān)控主機(jī)通過(guò)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(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)再通過(guò)單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信模式,以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)zigbee采集器,通過(guò)zigbee采集器傳遞給485總線上的各個(gè)表計(jì),如果表計(jì)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(guò)原路返回給監(jiān)控主機(jī)。
整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)廠區(qū)或整幢樓宇等的各個(gè)分項(xiàng)的電能計(jì)量,譬如一個(gè)廠區(qū)路燈耗電量、各個(gè)辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等,還可以以報(bào)表的形式分析該工廠在一段時(shí)時(shí)間內(nèi)的各個(gè)分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比,以便工廠了解這段時(shí)間里的各個(gè)分項(xiàng)的能耗,以制定出往后能耗管理方案,已達(dá)到節(jié)能減耗的效果。
目前整個(gè)系統(tǒng)在江蘇安科瑞實(shí)施運(yùn)行,按照分項(xiàng)計(jì)量的原則,把廠區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量,圖5.2就是該廠區(qū)的配電圖,整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監(jiān)控,并全部使用zigbee采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控,其中包含電流、電壓、電能等參數(shù),及一些簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對(duì)一些支路進(jìn)行監(jiān)視,譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行的監(jiān)視,這樣方便工廠了解各項(xiàng)數(shù)據(jù),以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。
圖5.1 zigbee能源管理系統(tǒng)
圖5.2 廠區(qū)配電圖
該項(xiàng)目整個(gè)zigbee能源管理系統(tǒng)采用的無(wú)線模塊為21個(gè),包括各類表記82個(gè)塊。圖5.3為zigbee能源管理系統(tǒng)中的通信圖,它列出了整個(gè)系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個(gè)表通過(guò)485總線連接到一個(gè)zigbee采集模塊進(jìn)行無(wú)線通信,各個(gè)空調(diào)插座由于比較分散,各采用一個(gè)zigbee采集模塊,等等。具體視表計(jì)的離散情況,集中在一起的用485總線連接一個(gè)模塊,分散的分別連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活,減少布線帶來(lái)的困難。
圖5.3 zigbee能源管理系統(tǒng)通信圖
整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好,已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了一段時(shí)間。圖5.4為一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖,它實(shí)時(shí)反映了工廠這段時(shí)間內(nèi)的電流情況,從而反映整個(gè)廠區(qū)的負(fù)荷情況。
圖5.4 一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢(shì)圖
圖5.5為一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值,它詳細(xì)地記錄了進(jìn)線回路三相電壓、電流、有功電能、無(wú)功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個(gè)廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D5.6所示,它記錄了一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況,包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。
圖5.5 一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)
圖5.6 各回路電能匯總
6 系統(tǒng)報(bào)價(jià)
單位:元(rmb)
名稱
型號(hào)
單位
面價(jià)
備注
監(jiān)控主機(jī)
ipc610h/piv2.8g/1g/120g/166x dvd/kb+ms/d-link530+外設(shè)
臺(tái)
8500
均可用戶自備,以當(dāng)時(shí)市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn),該報(bào)價(jià)僅供參考
顯示器
三星19寸液晶顯示器
臺(tái)
3000
三星22寸液晶顯示器
臺(tái)
3800
打印機(jī)
hp laserjet 1020 a4
臺(tái)
2500
epson-lq1600kiiih a3
臺(tái)
4000
ups電源
山特c1ks
臺(tái)
5000
山特c2ks
臺(tái)
6500
通訊機(jī)柜
1200×600×600
面
3000
2200×600×600
面
5000
通訊轉(zhuǎn)換
擴(kuò)展卡acrnet-pci/4
塊
3000
擴(kuò)展卡
串口服務(wù)器acrnet-port(2口)
只
3000
串口服務(wù)器
串口服務(wù)器acrnet-port(4口)
只
5500
通訊前置機(jī)acrnet-uc02(2口)
只
4000
通訊前置機(jī)
通訊前置機(jī)acrnet-uc04(4口)
只
6000
通訊前置機(jī)acrnet-uc08(8口)
只
11500
通訊管理機(jī)acrhmi
臺(tái)
30000
人機(jī)界面
組網(wǎng)設(shè)備
網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)eds-208
臺(tái)
3000
局域組網(wǎng)
網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)eds-408
臺(tái)
8500
監(jiān)控軟件
acrel監(jiān)控組態(tài)軟件v6.0
系統(tǒng)組態(tài)軟件
圖形組態(tài)軟件
電能管理軟件
數(shù)據(jù)庫(kù)軟件
套
3萬(wàn)
設(shè)備數(shù)量1~10
4萬(wàn)
設(shè)備數(shù)量11~20
6萬(wàn)
設(shè)備數(shù)量21~40
8萬(wàn)
設(shè)備數(shù)量41~80
10萬(wàn)元以上
設(shè)備數(shù)量80以上
雙機(jī)版
套
單機(jī)價(jià)格×1.5
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)
每+1用戶
套
3000
web發(fā)布
每+1用戶(總用戶數(shù)≤5)
套
5000
zigbee
無(wú)線模塊
anezb-485
臺(tái)
1200
anezb-gtw
臺(tái)
1500
電力儀表
acr330elh
臺(tái)
4860
acr220elh
臺(tái)
4280
acr120elh
臺(tái)
3580
導(dǎo)軌式安裝電表
dtsd1352
臺(tái)
2050
dtsf1352
臺(tái)
1200
ddsf1352
臺(tái)
600
ddsd1352
臺(tái)
2950
注:zigbee無(wú)線模塊、電力儀表、導(dǎo)軌式安裝電表可按上述報(bào)價(jià)的70%優(yōu)惠供應(yīng)。
7 結(jié)束語(yǔ)
zigbee技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展zui快,市場(chǎng)前景zui廣闊的技術(shù)中的一個(gè),zigbee(物聯(lián)網(wǎng))無(wú)線網(wǎng)絡(luò)省電、可靠、成本低、容量大、安全,可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。