物聯(lián)網(wǎng)(Zigbee)無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)總結(jié)

隨著無線通信及ZigBee技術(shù)的迅速發(fā)展，基于ZigBee的電能管理系統(tǒng)也將漸漸得到人們的關(guān)注。ZigBee可以很好的解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護和升級等問題，而且組網(wǎng)靈活性很高，在電能管理系統(tǒng)中應(yīng)用前景非常廣泛，而且在智能電網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)也有著廣泛的應(yīng)用前景。

介紹的ZigBee無線模塊在ZigBee無線電能系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，整個系統(tǒng)很好地對廠區(qū)中各路進線回路進行了監(jiān)測，并能真實的反映廠區(qū)的負荷情況。安科瑞公司將生產(chǎn)智能電力儀表各工段能耗及整機能耗，逐年比對，查找高能耗因數(shù)，列入整改，使儀表生產(chǎn)能耗逐年下降，為節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻。而為了使ZigBee無線電能管理系統(tǒng)能更好地發(fā)揮它的優(yōu)勢，還需不斷優(yōu)化系統(tǒng)中的軟硬件設(shè)備。

圖8.1為ZigBee電能管理系統(tǒng)，遠程通信網(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，以制定出往后能耗管理方案，已達到節(jié)能減耗的效果。

目前整個系統(tǒng)在江蘇安科瑞實施運行，按照分項計量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進線和出線進行分項計量，圖8.2就是該廠區(qū)的配電圖，整個系統(tǒng)對所有的進線回路進行監(jiān)控，并全部使用ZigBee采集模塊進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓、電能等參數(shù)，及一些簡單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項數(shù)據(jù)，以便制定更詳細的節(jié)能方案。

該項目整個ZigBee無線電能管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖8.3為ZigBee無線電能管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個系統(tǒng)包含的所有表計。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個ZigBee采集模塊進行無線通信，各個空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個ZigBee采集模塊，等等。具體視表計的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個模塊，分散的分別連接一個模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

圖8.3 ZigBee無線電能管理系統(tǒng)通信圖

整個系統(tǒng)運行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運行了一段時間。圖8.4為一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內(nèi)的電流情況，從而反映整個廠區(qū)的負荷情況。

圖8.4 一段時間內(nèi)主進線電流趨勢圖

圖8.5為一段時間內(nèi)的進線回路各項參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D8.6所示，它記錄了一段時間內(nèi)各個回路的耗電情況，包括各回路進行柜的總電能及分支電能。

不管是有線還是無線，抄表系統(tǒng)總會受到環(huán)境、距離和場合等因素的影響而各有其不同的解決方案?；赯IGBEE抄表系統(tǒng)也不會脫離這個約束，它也會由環(huán)境、距離和場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、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)時，它所考慮的因素相對要少。

圖7為ZIGBEE無線集抄系統(tǒng)單個子網(wǎng)組成示意圖，整個系統(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無線局域網(wǎng)絡(luò)組成。整個子網(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采集器下面最多可以連接32個表;由于MODBUS地址有限，整個ZIGBEE子網(wǎng)中最多能連接255個表;為了保障通信連接的可靠性，有的時候要視環(huán)境和距離的情況，需要多加幾個路由功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(ZIGBEE采集器配置成路由功能)，以保證有些孤遠節(jié)點的通信正常;另外考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞度和實時性傳輸，建議整個子網(wǎng)中的無線節(jié)點(即ZIGBEE采集器)的個數(shù)不應(yīng)大于60個，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)中的通信質(zhì)量。每個ZIGBEE子網(wǎng)都有各自的ID識別和頻段的劃分，這樣可以幫助擴充更多的表計數(shù)。

圖6為無線通信抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，整個網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成:計量儀表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠方通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也繼承了無線通信抄表系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)與無線抄表系統(tǒng)大致一樣，整個網(wǎng)絡(luò)也由計量儀表、ZIGBEE采集器(負責(zé)與計量儀表之間的通信)、ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端(負責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對接，譬如工業(yè)太網(wǎng)等)、上層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲設(shè)備。ZIGBEE無線通信抄表系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，MESH網(wǎng)絡(luò)能更好得保證通信質(zhì)量，保證單一節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。

5.1 ZIGBEE采集器 見圖5.1。

5.2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)終端 見圖5.2。

4.1 ZIGBEE采集器 見圖4.1

Zigbee采集器/終端主要參數(shù)見表3。

表3

ZIGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，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2)，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等短距離無線通訊技術(shù)相比較，ZIGBEE的特點主要有:

圖2 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)拓撲分類

(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的最大通信速率達到250 kb/s(工作在2.4 GHz時)，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(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(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。

(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2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(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、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、遠程控制領(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)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò)，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(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，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。Zigbee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見表1。

ZIGBEE與其他"最后一公里"技術(shù)的比較 表1

該書從PIC單片機的基礎(chǔ)講起，逐步展開ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相關(guān)知識，最后通過大量的實驗，讓讀者實際體驗如何具體使用ZigBee無線技術(shù)進行實際產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。作者希望以動手實踐為主軸，讓讀者在不斷的實驗中，循序漸進地完成PIC單片機和ZigBee無線技術(shù)的有機結(jié)合，像開發(fā)簡單單片機系統(tǒng)一樣，完成復(fù)雜zigBee無線產(chǎn)品和技術(shù)的開發(fā)。該書適合廣大從事單片機、無線應(yīng)用、自動控制、工業(yè)控制、無線傳感等的工程技術(shù)人員作為學(xué)習(xí)、參考用書，也可作為高等院校的計算機、電子、自動化、無線課程的教學(xué)參考書。

第1章實驗系統(tǒng)介紹

1.1ZigBee無線模塊

1.2CPU模塊

1.3實驗板

1.3.1A1--傳感器

1.3.2A3--RS232接口

1.3.3A4--FT232RL設(shè)計

1.3.4A5--電源

1.3.5B1--JTAG

1.3.6B2--無線模塊(CC2420)插座

1.3.7B3--MCU插座

1.3.8B4--鍵盤

1.3.9C1--顯示區(qū)

1.3.10C2--電機

1.3.11C3--蜂鳴器

1.4移動擴展板介紹

1.4.1OLED顯示

1.4.2傳感器

1.4.3其他

1.5MPLABIDC2的使用

1.6實驗開發(fā)系統(tǒng)套件

第2章PIC及ZigBee軟件開發(fā)環(huán)境

2.1PICC語言

2.1.1PICC語言概述

2.1.2MPLABC18編譯器

2.1.3數(shù)據(jù)類型及數(shù)值范圍

2.1.4存儲類別

2.1.5預(yù)定義宏名

2.1.6常量

2.1.7語言的擴展

2.2MPLABIDE集成開發(fā)環(huán)境

2.3MPLABC18編譯器

2.3.1C18編譯器安裝

2.3.2MPLABIDE集成環(huán)境配置

2.4MicrochipStackforZigBee

第3章PIC單片機基礎(chǔ)

3.1PIC單片機概述

3.2PIC單片機特點

3.3PIC18F4620單片機概述

3.3.1納瓦技術(shù)

3.3.2多個振蕩器的選項和特性

3.3.3其他特殊功能

3.4PIC18F4620單片機CPU的特殊功能

3.5PIC18F4620單片機振蕩器及復(fù)位

3.6PIC18F4620單片機存儲空間

3.7PIC18F4620單片機8×8硬件乘法器

第4章I/O端口

4.1PIC18F4620單片機I/O端口

4.2I/O端口A(PORTA)

4.3I/O端口B(PORTB)

4.4I/O端口C(PORTC)

4.5I/O端口D(PORTD)

4.6I/O端口E(PORTE)

4.7并行從動端口(PSP)

4.8I/O端口實驗

4.8.1LED燈閃爍實驗

4.8.2鍵盤實驗

第5章定時器

5.1定時/計數(shù)器0(TIMER0)模塊

5.2定時/計數(shù)器1(TIMER1)模塊

5.3定時/計數(shù)器2(TIMER2)模塊

5.4定時/計數(shù)器3(TIMER3)模塊

5.5定時/計數(shù)器實驗

第6章增強型通用同步/異步收發(fā)器

6.1EUSART寄存器

6.2波特率發(fā)生器(BRG)

6.3EUSART異步模式

6.4EUSART同步主控模式

6.5EUSART同步從動模式

6.6EUSART實驗

第7章中斷

7.1中斷概述

7.2中斷的現(xiàn)場保護

7.3中斷寄存器

7.4INTn引腳中斷

7.5TMR0中斷

7.6PORTB電平變化中斷

7.7中斷實驗

7.7.1定時器中斷實驗

7.7.2串口中斷實驗

第8章主控同步串行端口

8.1控制寄存器

8.2SPI模式

8.2.1工作原理

8.2.2寄存器

8.2.3典型連接

8.2.4主控模式

8.2.5從動模式

8.2.6從動選擇同步

8.2.7功耗管理模式下的操作

8.3I2C模式

8.4MSSP實驗

8.4.1溫度傳感器(LM95)實驗

8.4.2OLED實驗

第9章PIC18F4620模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)

9.1A/D寄存器

9.2A/D轉(zhuǎn)換方式

9.3A/D采集要求

9.4選擇和配置采集時間

9.5選擇A/D轉(zhuǎn)換時鐘

9.6配置模擬端口引腳

9.7A/D轉(zhuǎn)換

9.8在功耗管理模式下的操作

9.9實驗

第10章捕捉/比較/PWM(CCP)

10.1寄存器

10.2CCP模塊配置

10.3捕捉模式

10.4比較模式

10.5PWM模式

10.6實驗

10.6.1蜂鳴器實驗

10.6.2電機驅(qū)動實驗

第11章短距離無線數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

11.1ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)使用的頻譜和ISM開放頻段

11.2無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)

11.3無線CSMA/CA協(xié)議

11.4典型的短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

11.4.1ZigBee

11.4.2WiFi

11.4.3藍牙(Bluetooth)

11.4.4超寬頻技術(shù)(UWB)

11.4.5近短距無線傳輸(NFC)

11.5無線通信和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景

第12章ZigBee無線芯片CC2420

12.1芯片主要性能特點

12.2芯片CC2420內(nèi)部結(jié)構(gòu)

12.3IEEE802.15.4調(diào)制模式

12.4CC2420的RX與TX模式

12.4.1接收模式

12.4.2發(fā)送模式

12.5MAC數(shù)據(jù)格式

12.6配置寄存器

12.7參考設(shè)計電路

12.8控制實驗

12.8.1實驗現(xiàn)象分析

12.8.2SPI相關(guān)宏定義

12.8.3CC2420初始化函數(shù)

12.8.4發(fā)送數(shù)據(jù)包函數(shù)

12.8.5中斷接收

12.8.6發(fā)送主函數(shù)--移動擴展模塊

12.8.7接收主函數(shù)--實驗擴展板

第13章ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理

13.1ZigBee協(xié)議棧概述

13.2IEEE802.15.4通信層

13.2.1PHY(物理)層

13.2.2MAC(介質(zhì)接入控制子層)層

13.3ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)體系

13.4網(wǎng)絡(luò)層

13.4.1網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體(NLDE)

13.4.2網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)

13.4.3網(wǎng)絡(luò)層功能描述

13.5應(yīng)用層

13.5.1應(yīng)用支持子層

13.5.2應(yīng)用層框架

13.5.3應(yīng)用通信基本概念

13.5.4ZigBee設(shè)備對象

第14章ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實驗

14.1建立網(wǎng)絡(luò)

14.2連接網(wǎng)絡(luò)

14.2.1允許連接網(wǎng)絡(luò)

14.2.2連接網(wǎng)絡(luò)

14.3斷開網(wǎng)絡(luò)

14.3.1子設(shè)備請求斷開網(wǎng)絡(luò)

14.3.2父設(shè)備要求子設(shè)備斷開網(wǎng)絡(luò)

14.4網(wǎng)絡(luò)實驗

第15章ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲介紹

15.1ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

15.2網(wǎng)絡(luò)拓撲拓撲結(jié)構(gòu)形成

15.2.1星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的形成

15.2.2對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的形成

15.3ZigBee綁定實驗

15.3.1協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

15.3.2終端設(shè)備程序設(shè)計

第16章ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由實驗

16.1路由基本知識

16.1.1路由器功能

16.1.2路由成本

16.1.3路由表

16.1.4路由選擇表

16.2路由器工作原理

16.2.1路由選擇

16.2.2路由維護

16.3ZigBee路由實驗

第17章ZigBee無線測溫系統(tǒng)

17.1無線測溫系統(tǒng)原理與實現(xiàn)

17.2無線測溫系統(tǒng)程序設(shè)計

17.2.1協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

17.2.2終端設(shè)備程序設(shè)計

第18章基于ZigBee節(jié)能型路燈控制系統(tǒng)

18.1路燈自動控制系統(tǒng)原理及實現(xiàn)

18.2路燈自動控制系統(tǒng)程序設(shè)計

18.2.1協(xié)調(diào)器設(shè)計

18.2.2終端設(shè)備設(shè)計

第19章ZigBee無線點菜系統(tǒng)

19.1無線點菜系統(tǒng)原理和實現(xiàn)

19.2無線點菜系統(tǒng)程序設(shè)計

19.2.1協(xié)調(diào)器設(shè)計

19.2.2終端設(shè)備設(shè)計

參考文獻

《ZigBee技術(shù)及應(yīng)用》圍繞ZigBee技術(shù)的理論和應(yīng)用作較全面的介紹。在簡要介紹無線組網(wǎng)通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，第2章詳細介紹了ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)--IEEE 802.15.4無線個域網(wǎng)協(xié)議;第3章對ZigBee協(xié)議規(guī)范1.0版本進行了闡述。從第4章開始，分別介紹基于單片RF收發(fā)器和SoC方式的一些典型ZigBee技術(shù)實現(xiàn)平臺，主要產(chǎn)品有Freescale公司的MCl3192/MCl3193，Chipcon公司(已被TI公司收購)的CC2420、CC2430和Ember公司的EM250，對其芯片的特性、功能和應(yīng)用等進行了描述。第8章介紹MCl3192的一個應(yīng)用實例;第9章是CC2420 ZigBee DK開發(fā)套件的介紹。