基于ZIGBEE無線網(wǎng)狀網(wǎng)通信技術(shù)的大樓能耗控制系統(tǒng)

1、基于ZIGBEE無線網(wǎng)狀網(wǎng)通信技術(shù)的大樓能耗控制系統(tǒng)項目概述：一、項目背景： 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑年耗電量約占全國城鎮(zhèn)總耗電量的22%，每平方米年耗電量是普通居民住宅的1020倍，是歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家同類建筑的1.52倍，做好國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑的節(jié)能管理工作，對實現(xiàn)“十一五”建筑節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)具有重要意義。為貫徹落實國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知（國發(fā)200715號）、關(guān)于加強(qiáng)大型公共建筑工程建設(shè)管理的若干意見（建質(zhì)20071號）文件精神，全面推進(jìn)國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能

2、管理工作，今明兩年工作重點是在國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑比較集中的省市，建立國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系，開展能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示等工作。在此基礎(chǔ)上，研究制定用能標(biāo)準(zhǔn)、能耗定額和超定額加價、節(jié)能服務(wù)等制度，并逐步在全國范圍內(nèi)推開。在國家的宏觀背景下，我司開發(fā)的用電分項計量裝置，不同于以往的電能計量系統(tǒng)，它并不是用于電費的結(jié)算，而是用于電能消耗的管理工作?，F(xiàn)有辦公建筑的電能計量系統(tǒng)僅僅局限于實現(xiàn)電費結(jié)算功能，通常由電力公司安裝極少量的電能表，作為收取電費的依據(jù)，建筑物的管理者無從得知樓宇各個部位的電能消耗數(shù)據(jù)，信息的缺失使得所有的節(jié)能措施缺乏針對性。而用電分項計量裝置一

3、般將建筑用電按照功能進(jìn)行項目劃分，例如：照明系統(tǒng)用電、空調(diào)和取暖用電、綜合服務(wù)（電梯、廚房、電開水器等）用電等，然后分別對這些項目的用電情況進(jìn)行實時監(jiān)測，同時將檢測數(shù)據(jù)傳送到控制中心的數(shù)據(jù)庫，管理人員可通過用電分項計量裝置進(jìn)行整個建筑的用電管理工作，最終達(dá)到節(jié)能的目的。二、項目技術(shù)方案： 我司開發(fā)的用電分項計量裝置采用了先進(jìn)的ZIGBEE傳輸技術(shù)，利用了ZIGBEE獨有的蜂窩狀傳輸技術(shù)將終端采集點采集到的電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺。實現(xiàn)了低功耗、低成本、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信。下圖為ZIGBEE的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及現(xiàn)場應(yīng)用： （圖一）圖二是ZIGBEE無線用電分項計量系統(tǒng)示意圖： （圖二）在用電分項

4、計量裝置中，它的中心是圍繞節(jié)能，而節(jié)能工作的首要前提是發(fā)現(xiàn)用能問題，大型公建的能耗構(gòu)成較復(fù)雜，建立大型公共建筑能耗的運行管理公共平臺，集中實時采集各座大型公建的分項用能數(shù)據(jù)，可便于管理者掌握大型公建的能耗數(shù)據(jù)及構(gòu)成，為節(jié)能工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本平臺包括用電分項計量采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)，在各座大型公建內(nèi)對各類不同的用電系統(tǒng)分別安裝ZIGBEE節(jié)點，通過寬帶網(wǎng)把用能數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)揭粋€城市的建筑用能管理中心，從而對各座建筑的各類用能情況進(jìn)行縱向、橫向的分析、比較、管理和考核。三、用電分項計量裝置安裝技術(shù)說明：本項目適用于各級國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，不適用于任何用于貿(mào)易結(jié)算

5、和計費的電能計量系統(tǒng)。 這條是用電分項計量設(shè)計安裝的重點，它明確指出用電分項計量不適用于貿(mào)易結(jié)算和計費系統(tǒng)。一般辦公建筑物及大型公共建筑均設(shè)置變配電室，大多數(shù)為10KV高壓引入經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為380V/220V低壓供電系統(tǒng)，為建筑內(nèi)用電設(shè)備配電。大型公建一般變壓器容量均超過400KVA，在供電公司屬于高供高量，所以用電收費計量表設(shè)在10KV側(cè)，也有些單位需要對特殊區(qū)域收取電費而在低壓側(cè)設(shè)置分表，這些都屬于貿(mào)易結(jié)算和計費。而我們的用電分項計量系統(tǒng)的表計均設(shè)置在低壓側(cè)且與結(jié)算和計費無關(guān)，因此不會與供電公司和內(nèi)部貿(mào)易結(jié)算產(chǎn)生沖突。四、項目的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)難點：總體上講本項目有二個技術(shù)關(guān)鍵點及難點：1）

6、 無線無線網(wǎng)狀網(wǎng)的實現(xiàn)：無線傳感器網(wǎng)是當(dāng)下的一個技術(shù)的熱點跟難點。尤其是要組成無線網(wǎng)狀網(wǎng)。在技術(shù)上來講是有很多的難點跟關(guān)鍵點的。本公司采用的是全球最新的ZIGBEE技術(shù)作為解決這個問題的方案。ZIGBEE技術(shù)是在IEEE在2006制定的的協(xié)議的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興的無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)。代表了當(dāng)下無線小數(shù)據(jù)網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的最高點。本公司的ZIGBEE無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的協(xié)議是全部自己公司研發(fā)的。擁有全部的知識產(chǎn)權(quán)。具體的攻克的技術(shù)難點有：（1） 實現(xiàn)2.4G 無線小功率模塊的RF電路研發(fā)。RF 電路研發(fā)一直上國內(nèi)的研發(fā)的一個弱項。我實現(xiàn)了再300MW的發(fā)射功率下實現(xiàn)3KM 的傳輸可視距離。這在國內(nèi)來講已經(jīng)是

7、比較超前了。（2） 實現(xiàn)了300個節(jié)點的ZIGBEE無線網(wǎng)狀網(wǎng)的軟件協(xié)議開發(fā)。這是基于無線ZIGBEE協(xié)議的國內(nèi)能查到的唯一一家。基本跟國際上同步。（國際上有2-3家在研發(fā)這個協(xié)議。一般的用戶是采用他們的協(xié)議）（3） 實現(xiàn)了無線分項電表的研發(fā)： 在研發(fā)了ZIGBEE無線模塊的基礎(chǔ)上研發(fā)了單相；三相軌道電表的研發(fā)。采用了國內(nèi)領(lǐng)先的無線MODBUS協(xié)議來完成抄表。同時實現(xiàn)了0.5級的計量精度。（4）開發(fā)了基于無線ZIGBEE技術(shù)的溫度濕度自動采集模塊。最大的技術(shù)亮點是可以用電池供電下實現(xiàn)1年的低功耗運行。精度為0.5度。本項目所依據(jù)的技術(shù)原理是無線ZIGBEE技術(shù)。下面先簡單的介紹一下ZIGBEE

8、技術(shù)一）什么是ZIGBEE技術(shù)：zigbee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 國際上，工作組及zigbee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術(shù)的推廣工作，其中，工作組主要負(fù)責(zé)制定zigbee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通； zigbee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場推廣工作。而于2002年成立的zigbee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國際巨頭都已推出了比較成熟的zigbee開發(fā)平臺。 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于協(xié)議棧而

9、建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(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。 圖一 ZIGBEE星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點 支持點對點、點對多點通信 中心節(jié)點為ZIGBEE協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點為ZIGBEE終端設(shè)備 所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點適合圓形分散、距離較近的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)圖二 ZIGBEE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點 系統(tǒng)采用多跳式路由通信 網(wǎng)絡(luò)容量很大 可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu) MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)的所有實體只有要通信范圍

10、之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。Zigbee技術(shù)特點設(shè)備省電 zigbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間； 通信可靠 zigbee采用了CSMACA的碰撞避免機(jī)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；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息； 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)

11、系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)； zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。 具備自組織、自愈能力的無線通信網(wǎng)絡(luò)才是自動抄表系統(tǒng)最理想的通信方式。成本低廉 設(shè)備的復(fù)雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費的，這些可以有效地降低設(shè)備成本； Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信。網(wǎng)絡(luò)容量大 一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在200多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)據(jù)安全 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整

12、性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 項目國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀：包括國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究、開發(fā)現(xiàn)狀的介紹、分析。ZIGBEE技術(shù)是2007年IEEE定義的一個新的標(biāo)準(zhǔn)。在2007年IEEE制定了ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)后。一系列的芯片廠商推出了一系列ZIGBEE芯片。在這些芯片的基礎(chǔ)上2008到2009 年一些公司推出了基于ZIGBEE技術(shù)的產(chǎn)品。整體來講ZIGBEE是一個新興的無線標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外的公司都處在同一起跑線上。國內(nèi)跟國外的差距比較小?；旧鲜峭降摹１竟臼菄鴥?nèi)最早開始研發(fā)ZIGBEE技術(shù)的廠商。處在國內(nèi)的前3名內(nèi)。二）什么是基于ZIGBEE無線網(wǎng)

13、狀網(wǎng)通信技術(shù)的大樓能耗控制系統(tǒng)：  我司開發(fā)的用電分項計量裝置采用了先進(jìn)的ZIGBEE傳輸技術(shù)，利用了ZIGBEE獨用的蜂窩狀傳輸技術(shù)將終端采集點采集到的電能數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺。實現(xiàn)了低功耗、低成本、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信。下圖為大樓能耗控制系統(tǒng)的示意圖：五、項目主要內(nèi)容及創(chuàng)新點：（1）項目主要內(nèi)容及技術(shù)路線：描述申報項目研究開發(fā)的內(nèi)容及涉及的關(guān)鍵技術(shù)、主要解決的關(guān)鍵問題；技術(shù)路線描述包括工藝流程圖、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖、框架圖等。一：技術(shù)特點：結(jié)合zigbee技術(shù)特點和技術(shù)優(yōu)勢，采用zigbee技術(shù)來實現(xiàn)大樓的能耗自動采集及控制是一個非常理想的解決方案。 在實際應(yīng)用中，我們選擇了將zigb

14、ee技術(shù)與GPRS/CDMA結(jié)合起來，根據(jù)用戶的不同分布，來靈活地構(gòu)建抄表的無線網(wǎng)絡(luò)。l 對于每個抄表終端而言，要求超低功耗、低成本（包括設(shè)備成本、運行成本），并且數(shù)據(jù)的傳輸速率不高，對于居民小區(qū)的抄表，抄表終端通常分布較密集、距離較近，zigbee技術(shù)可以很好地滿足這些要求； l 終端采集的數(shù)據(jù)需要送到國家有關(guān)部門的能源監(jiān)控中心，這可以通過GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，它無距離限制，且無需網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、幾乎不需要維護(hù)； l 所構(gòu)建的zigbee網(wǎng)絡(luò)既可以是星形拓?fù)?，也可以是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌徽撌悄姆N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的zigbee網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實際的組網(wǎng)需要，設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 二：項目研究開發(fā)的內(nèi)容及涉及的

15、關(guān)鍵技術(shù)、主要解決的關(guān)鍵問題：1） 無線ZIGBEE軟件實現(xiàn)：下面為ZIGBEE軟件協(xié)議棧示意圖：ZigBee協(xié)議棧分為（1） 物理層（PHY Layer）規(guī)定了無線通信上的物理規(guī)范：包括無線頻點；調(diào)制方式。發(fā)射功率。接收靈敏度。等等。（2） 媒體存取層（Media Access Control Layer；MAC Layer）規(guī)定了軟件訪問硬件的具體參數(shù)及方式。（3） 網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、安全層（Security Layer）、規(guī)定了無線網(wǎng)狀網(wǎng)路由的具體實現(xiàn)方法（4） 應(yīng)用層（Application Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）針對不通的應(yīng)用有不同

16、的PROFILE有實現(xiàn)。因為本協(xié)議比較復(fù)雜。在這里沒有準(zhǔn)備具體展開介紹。如有興趣。可以參考我們公司提供的附件資料。2） ZIGBEE無線模塊硬件的實現(xiàn)：無線ZIGBEE模塊的框圖： 主要的技術(shù)難點：1）低功耗：平均功耗實現(xiàn)40MA/3.3V 2）2.4G 無線微波電路設(shè)計：最大發(fā)射功率為25DBM；實現(xiàn)可視距離3KM可靠傳輸。（99.5%成功率） 3）特有接收低噪聲放大器技術(shù)(LNA).由原來的接收靈敏度-93DBM增加打-112DBM.3） 無線軌道電表實現(xiàn):無線軌道電表框圖：主要的技術(shù)難點：1）支持無線MODBUS協(xié)議 2）采集電路精度為0.5級 3）特有軌道安裝方式。方便分項計量項目安裝

17、。 4）微型開關(guān)電源，縮小產(chǎn)品體積。降低產(chǎn)品功耗4） 無線溫濕度產(chǎn)品模塊實現(xiàn)：無線溫濕度模塊框圖：主要的技術(shù)難點及特點：1）支持無線自動上報協(xié)議，節(jié)省功耗。 2）溫度精度為0.5°；濕度為5%。 3）特有軌道安裝方式。方便分項計量項目安裝。 4）特有的低功耗技術(shù)，降低產(chǎn)品功耗。2個5號電池可以工作1年。（2）項目創(chuàng)新點： 無線ZIGBEE傳輸系統(tǒng)的創(chuàng)新點：1）MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)：MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。2）物理層RF 通信鏈接§ 直序擴(kuò)頻采用高處理增益

18、§ 明晰的信道檢測§ 對干擾能量進(jìn)行檢測§ 采用跳頻技術(shù)Frequency agility3）無線協(xié)議特點§ 基于CRC的誤碼檢測/校正§ 采取了避免沖突的策略CSMA/CA§ 為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用的有保證的時隙§ 發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問題進(jìn)行重發(fā)§ 保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時傳輸Packet data freshness1） 通信可靠機(jī)制 § zigbee采用了CSMACA的碰撞避免機(jī)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；明晰的信道檢測

19、7; MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 2） 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng) :§ zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)； § zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。 6)無線采集電量及溫度濕度數(shù)據(jù)。不用布線。通信穩(wěn)定可靠。大樓能耗監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)新點及特點：1） 可以實現(xiàn)對電能的分項計量及分時復(fù)費率計量，不僅能實時顯示用電狀況，還具有網(wǎng)絡(luò)通訊功能，可以與計算機(jī)等組成電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)。實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的分析、處理，并生成各種電能報表、分析曲線、圖形等，便于電能的遠(yuǎn)程抄表以及分析、研究，為智能建筑的節(jié)能技術(shù)提供參考。2） 電能分項計量及能耗管理系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，站控