物聯(lián)網(wǎng)(ZigBee)技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用_圖文

1、物聯(lián)網(wǎng)(ZigBee技術(shù)在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用劉細(xì)鳳上海安科瑞電氣股份有限公司嘉定201801摘要:闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念,分析了物聯(lián)網(wǎng)的組成,提出了基于ZigBee技術(shù)的能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,給出了物聯(lián)網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)及性能參數(shù),描述了ZigBee數(shù)據(jù)通訊、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程能源管理。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源管理系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,從而達(dá)到了節(jié)能減耗的效果,最后展望了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)的發(fā)展前景,并指出物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的困難。關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無(wú)線能源管理網(wǎng)絡(luò)電力儀表0引言無(wú)所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來(lái)臨,物聯(lián)網(wǎng)被專家及多個(gè)國(guó)家認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命。不

2、管是IBM提出的智慧地球,還是溫家寶總理在無(wú)錫提出的感知中國(guó),都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當(dāng)下最熱門(mén)最具競(jìng)爭(zhēng)性的產(chǎn)業(yè)。傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)一般需要布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線,然后將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接到一臺(tái)電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并向用戶顯示界面,當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)可能需要單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器,而如果需要實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)的遠(yuǎn)程管理,更是需要在互聯(lián)網(wǎng)上架設(shè)一臺(tái)專門(mén)的服務(wù)器,這樣,不僅需要投入服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及開(kāi)發(fā)相應(yīng)的服務(wù)軟件,系統(tǒng)的維護(hù)除現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備和總線鏈路外還需要IT部門(mén)的管理員協(xié)助維護(hù)服務(wù)器設(shè)備,避免服務(wù)器故障而造成損失。因此,將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到遠(yuǎn)程能源管理系統(tǒng)中來(lái),底層運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)連接現(xiàn)場(chǎng)傳感器及設(shè)備,上層使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù),消除現(xiàn)

3、場(chǎng)級(jí)布線的煩惱,可以消除網(wǎng)絡(luò)硬件的投入及日常的IT維護(hù),同時(shí)可以輕松實(shí)現(xiàn)基于WEB服務(wù)的遠(yuǎn)程管理。由于本文所述的能源管理系統(tǒng)采用安科瑞(Acrel公司提供的平臺(tái)及解決方案,因此,在系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)均按照Acrel平臺(tái)的要求,但這并不影響借鑒和參考此平臺(tái)和解決方案來(lái)討論物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架、問(wèn)題,及前景。1什么是物聯(lián)網(wǎng)1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義目前國(guó)內(nèi)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)也還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義,只是在大體的技術(shù)框架上做了一個(gè)概念性的表述:通過(guò)射頻識(shí)別(RFID、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái),進(jìn)行信息交換和通訊,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)

4、絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)就字面意義上理解就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思:第一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);第二,其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間,進(jìn)行信息交換和通訊。從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看,物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升,將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用,使人與物智慧對(duì)話,創(chuàng)造一個(gè)智慧的世界。因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幾乎涉及到了信息技術(shù)的方方面面,是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展,也因此才被稱為是信息技術(shù)的第三次革命性創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來(lái)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是互聯(lián)網(wǎng)特征,即對(duì)需要聯(lián)網(wǎng)

5、的物一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò);二是識(shí)別與通信特征,即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動(dòng)識(shí)別與物物通信的功能;三是智能化特征,即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)化、自我反饋與智能控制的特點(diǎn)。1.2物聯(lián)網(wǎng)的組成物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)主要由三大塊組成:一、包括各類傳感器、控制器等數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備,及構(gòu)成這些設(shè)備互聯(lián)的底層傳感網(wǎng)絡(luò)組成的設(shè)備感知層。感知層中的智能終端、智能傳感器、射頻識(shí)別,以及傳感網(wǎng)絡(luò),組成了物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎(chǔ)。二、將底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)用各種接入技術(shù):如以太網(wǎng)、GPRS、3G、Wi-Fi,甚至衛(wèi)星通訊等,最終接入互聯(lián)網(wǎng)。云技術(shù)強(qiáng)大的存儲(chǔ)、查詢、計(jì)算能力,也都?xì)w屬在這一層。三、根

6、據(jù)客戶自身需求,利用感知數(shù)據(jù)或狀態(tài)為用戶提供有效的特定服務(wù)的應(yīng)用層。應(yīng)用層是對(duì)感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。1.3ZigBee技術(shù)的特點(diǎn) 圖1ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?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4KB代碼。(3低速率、短延時(shí)。ZigBee的最大通信速率達(dá)到250kb/s(工作在2.4GHz時(shí),滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。Z

7、igBee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310S、Wi-Fi需3S。(4近距離,高容量。傳輸范圍一般介于10100m,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到13km。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),最多一個(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)

8、務(wù)預(yù)留了專用時(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)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Encryption 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2.4GHz(全球、915MHz(美國(guó)和868MHz(歐洲。1.4ZigBee的性能參數(shù)以Acrel公司ANEZB-485ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端為例,其主要參數(shù)見(jiàn)表1. 2能源管理系統(tǒng)的

9、設(shè)計(jì)2.1工作原理能源管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備的智能管理,采用基于Acrel公司解決方案,感知層采用ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有設(shè)備成本低、設(shè)備體積小、省電、網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn),非常適合廣泛應(yīng)用在智能家庭、工業(yè)控制、能源管理、醫(yī)療監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)電力儀表、智能開(kāi)關(guān)組成一個(gè)ZigBee私域網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)相互之間的連接。網(wǎng)關(guān)可進(jìn)行本地邏輯運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)本地智能。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)采集執(zhí)行器、本地?cái)?shù)據(jù)處理、應(yīng)用服務(wù)程序等幾個(gè)部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。 現(xiàn)場(chǎng)采集執(zhí)行器本地?cái)?shù)據(jù)處理應(yīng)用服務(wù)程序圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(1現(xiàn)場(chǎng)采集執(zhí)行器:主要有ACR330ELH

10、、ACR220EL卡表(2應(yīng)用服務(wù)程序:運(yùn)行于Google云技術(shù)服務(wù)平臺(tái),基于Google App Engine開(kāi)發(fā)的web應(yīng)用程序,具有權(quán)限的用戶在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方,使用Web瀏覽器登錄,即可查看該能源管理系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),以及能耗數(shù)據(jù)報(bào)表等信息。3能源管理系統(tǒng)計(jì)量體系宜選電力儀表建立能源管理系統(tǒng)應(yīng)先建立計(jì)量體系。數(shù)據(jù)先于決策,節(jié)能始于計(jì)量。為了不重復(fù)投資,造成浪費(fèi),能源管理系統(tǒng)應(yīng)與配電系統(tǒng)一體化,直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù)。電能計(jì)量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表,不宜用收費(fèi)電表。在電能管理中,供電部門(mén)一般會(huì)在總進(jìn)線處安裝收費(fèi)電表?？紤]內(nèi)部電能計(jì)量與節(jié)能管理的需要,在用戶安裝收

11、費(fèi)電表的基礎(chǔ)上安裝電力儀表,用于內(nèi)部電能管理。因此用戶可自主選擇采購(gòu),但應(yīng)注意制造商是否有電力儀表(電能部分的計(jì)量許可證。電力儀表可以完成對(duì)各回路、各功能區(qū)的分項(xiàng)電能數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)后臺(tái)電能管理系統(tǒng)完成電能分項(xiàng)計(jì)量。表2收費(fèi)電表與電力儀表之比較內(nèi)容收費(fèi)電表電力儀表 外形圖安裝方式掛壁式安裝,應(yīng)單獨(dú)設(shè)置電表箱,不易安裝在低壓柜、動(dòng)力箱、照明箱內(nèi)導(dǎo)軌式安裝,易安裝在動(dòng)力箱、照明箱內(nèi)嵌入式安裝,易安裝在低壓柜、動(dòng)力箱的門(mén)板上通訊規(guī)約DL/T645規(guī)約與配電系統(tǒng)不兼容Modbus 協(xié)議或DL/T645規(guī)約,Modbus 協(xié)議可與配電系統(tǒng)兼容4ZigBee 無(wú)線抄表解決方案圖3為ZigBee能源管理系統(tǒng)

12、,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

13、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。 圖3ZigBee 能源管理系統(tǒng)安科瑞為生產(chǎn)基地江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計(jì)的針對(duì)生產(chǎn)用電進(jìn)行管理的電能管理分析系統(tǒng),是基于ZigBee(物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZigBee 與RS485混合組網(wǎng)模式。整個(gè)廠區(qū)共設(shè)8個(gè)集中監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別位于配電間、層配生產(chǎn)動(dòng)力柜、空調(diào)動(dòng)力柜、排風(fēng)機(jī)控制箱及位于配電末端的幾個(gè)照明控制箱。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各設(shè)置無(wú)線ZigBee 采集器一只,通過(guò)RS485總線對(duì)位于該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能計(jì)量?jī)x表進(jìn)行通訊組網(wǎng);監(jiān)控中心設(shè)置ZigBee 網(wǎng)絡(luò)終端一只,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及考慮通訊的可靠性,于適當(dāng)位置設(shè)置數(shù)只ZigBee 中繼路由