安科瑞ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng)

ZIGBEE（物聯(lián)網）無線網絡電能管理系統(tǒng)
1 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，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、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的優(yōu)越特性，基于ZIGBEE技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應用于一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)以太網和GPRS/CDMA上行信道結合，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”技術比較見表1。
表1. ZIGBEE與其他“最后一公里”技術的比較
載波PLC RS485 ZIGBEE無線
建網難度 簡單 困難 簡單
一次性投資 小 一般 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 一般 好
實時監(jiān)控 不能 能 能

6.2 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具備強大的設備聯(lián)網功能(見圖2)，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。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，ZIGBEE的特點主要有：
(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)，滿足低速率傳輸數據的應用需求。ZIGBEE的響應速度較快，一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、片狀和網狀網絡結構。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)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。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據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)。

6.3 ZIGBEE(物聯(lián)網)無線網絡電能管理系統(tǒng)的體系結構
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據交換設備。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）、上層通信網絡和數據交換存儲設備。ZIGBEE無線通信管理系統(tǒng)一般采用的組網方式是MESH的網狀網絡，MESH網絡能更好得保證通信質量，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)。

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進行了驗證。詳細參數見表2。
表2 ANEZB系列ZIGBEE通訊模塊性能參數表
參數 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 255個
子網容量
ZIGBEE網絡終端 1個 網絡中有時需要犧牲一些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，效果更好。
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：以上表中數據是試點工程中的實測數據。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量，堆放物品的高度等影響。

6.5 性能參數

ANEZB-485
ZIGBEE采集器 ANEZB-GTW
ZIGBEE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 最大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
數據指示 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℃