物联网(ZigBee)技术在能源管理系统中的应用

1、物联网(ZigBee技术在能源管理系统中的应用刘细凤上海安科瑞电气股份有限公司嘉定201801摘要:阐述了物联网的概念,分析了物联网的组成,提出了基于ZigBee技术的能源管理系统设计方案,给出了物联网能源管理系统的组成、特点及性能参数,描述了ZigBee数据通讯、互联网技术实现远程能源管理。系统运行结果表明运用物联网技术的能源管理系统稳定可靠,从而达到了节能减耗的效果,最后展望了物联网的应用价值和技术的发展前景,并指出物联网发展面临的困难。关键词:物联网ZigBee无线能源管理网络电力仪表0引言无所不在的物联网通信时代即将来临,物联网被专家及多个国家认为是继互联网浪潮之后的又一次科技革命。不

2、管是IBM提出的智慧地球,还是温家宝总理在无锡提出的感知中国,都意味着物联网将是当下最热门最具竞争性的产业。传统的能源管理系统一般需要布设现场总线,然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户显示界面,当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器,而如果需要实现跨地区的远程管理,更是需要在互联网上架设一台专门的服务器,这样,不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软件,系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要IT部门的管理员协助维护服务器设备,避免服务器故障而造成损失。因此,将物联网技术引入到远程能源管理系统中来,底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备,上层使用互联网技术服务,消除现

3、场级布线的烦恼,可以消除网络硬件的投入及日常的IT维护,同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理。由于本文所述的能源管理系统采用安科瑞(Acrel公司提供的平台及解决方案,因此,在系统具体实现的设计均按照Acrel平台的要求,但这并不影响借鉴和参考此平台和解决方案来讨论物联网的构架、问题,及前景。1什么是物联网1.1物联网的定义目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义,只是在大体的技术框架上做了一个概念性的表述:通过射频识别(RFID、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网

4、络。物联网就字面意义上理解就是“物物相连的互联网”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通讯。从物联网本质上看,物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升,将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用,使人与物智慧对话,创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面,是一种聚合性、系统性的创新应用与发展,也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面:一是互联网特征,即对需要联网

5、的物一定要能够实现互联互通的互联网络;二是识别与通信特征,即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信的功能;三是智能化特征,即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。1.2物联网的组成物联网的结构主要由三大块组成:一、包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备,及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别,以及传感网络,组成了物联网的底层基础。二、将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术:如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi,甚至卫星通讯等,最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力,也都归属在这一层。三、根

6、据客户自身需求,利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。1.3ZigBee技术的特点ZigBee协议基于IEEE802.15.4标准,从2004年发布ZigBee V1.0到最新的增加了ZigBee-PRO 扩展指令集的ZigBee2006版本,ZigBee功能不断强大。ZigBee具备强大的设备联网功能(见图1,它支持3种主要的自组织无线网络类型,即星型结构(Star、网状结构(Mesh和树型结构(Cluster Tree,特别是网状结构,具有很强的网络健壮性和系统可靠性。与目前普遍应用的wi-Fi、Bluetooth等短距离无线通信技术相

7、比较,ZigBee的特点主要有。 图1ZigBee网络拓扑分类(1工作周期短、收发信息功耗较低,并且RFD(Reduced Function Device,简化功能器件采用了休眠模式,不工作时都可以进入睡眠模式。(2低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10,降低了对通信控制器的要求,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码。(3低速率、短延时。ZigBee的最大通信速率达到250kb/s(工作在2.4GHz时,满足低速率传输数据的应用需求。ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了

8、电能。相比较,蓝牙需310S、Wi-Fi需3S。(4近距离,高容量。传输范围一般介于10100m,在增加RF发射功率后,亦可增加到13km。这指的是相邻节点间的距离,若通过路由和节点间通信的接力,扩展后达到几百米甚至几公里。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构。由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点。(5高可靠性和高安全性。ZigBee的媒体接入控制层(Medium Access Control,MAC采用CSMA/CA的碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。ZigBee还提供了3级安全模式,包括无安全设定、使用接

9、人控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES的对称密码,以灵活确定其安全属性。(6免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(Industrial Scientific Medical,ISM频段,分别为2.4GHz(全球、915MHz(美国和868MHz(欧洲。1.4ZigBee的性能参数以Acrel公司ANEZB-485ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee网络终端为例,其主要参数见表1. 2能源管理系统的设计2.1工作原理能源管理系统主要实现对区域内用电设备的智能管理,采用基于Acrel公司解决方案,感知层

10、采用ZigBee无线通讯技术。由于ZigBee网络具有设备成本低、设备体积小、省电、网络自愈能力强等特点,非常适合广泛应用在智能家庭、工业控制、能源管理、医疗监控等物联网领域。网关和网络电力仪表、智能开关组成一个ZigBee私域网络,实现相互之间的连接。网关可进行本地逻辑运算,实现本地智能。2.2系统结构能源管理系统由现场采集执行器、本地数据处理、应用服务程序等几个部分组成。其系统结构见图2。 现场采集执行器本地数据处理应用服务程序图2系统结构框图(1现场采集执行器:主要有ACR330ELH、ACR220EL卡表(2应用服务程序:运行于Google云技术服务平台,基于Google App En

11、gine开发的web应用程序,具有权限的用户在任何可以接入互联网的地方,使用Web浏览器登录,即可查看该能源管理系统中的设备运行状态,以及能耗数据报表等信息。3能源管理系统计量体系宜选电力仪表建立能源管理系统应先建立计量体系。数据先于决策,节能始于计量。为了不重复投资,造成浪费,能源管理系统应与配电系统一体化,直接在配电系统中采集能耗数据。电能计量宜采用电力仪表作为内部管理电表,不宜用收费电表。在电能管理中,供电部门一般会在总进线处安装收费电表。考虑内部电能计量与节能管理的需要,在用户安装收费电表的基础上安装电力仪表,用于内部电能管理。因此用户可自主选择采购,但应注意制造商是否有电力仪表(电能

12、部分的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各功能区的分项电能数据的采集,通过后台电能管理系统完成电能分项计量。表2收费电表与电力仪表之比较内容收费电表电力仪表 外形图安装方式挂壁式安装,应单独设置电表箱,不易安装在低压柜、动力箱、照明箱内导轨式安装,易安装在动力箱、照明箱内嵌入式安装,易安装在低压柜、动力箱的门板上通讯规约DL/T645规约与配电系统不兼容Modbus 协议或DL/T645规约,Modbus 协议可与配电系统兼容4ZigBee 无线抄表解决方案图3为ZigBee能源管理系统,远程通信网络采用工业以太网络,网络中电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机通过

13、以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点,网络中心节点再通过单点对多点的通信模式,以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器,通过ZigBee采集器传递给485总线上的各个表计,如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合,则做出相应的数据回复,通过原路返回给监控主机。整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量,譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等,还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比,以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗,以制定出往后能

14、耗管理方案,已达到节能减耗的效果。 图3ZigBee 能源管理系统安科瑞为生产基地江苏安科瑞电器制造有限公司设计的针对生产用电进行管理的电能管理分析系统,是基于ZigBee(物联网无线网络的电能管理系统,整个系统的组网采用ZigBee 与RS485混合组网模式。整个厂区共设8个集中监测点,分别位于配电间、层配生产动力柜、空调动力柜、排风机控制箱及位于配电末端的几个照明控制箱。每个监测点各设置无线ZigBee 采集器一只,通过RS485总线对位于该监测点的电能计量仪表进行通讯组网;监控中心设置ZigBee 网络终端一只,结合现场实际情况及考虑通讯的可靠性,于适当位置设置数只ZigBee 中继路由

15、器。系统的组网示意如图4。 图4ZigBee(物联网无线网络电能管理系统解决方案组网示意图 公司通过建立ZigBee(物联网无线网络电能管理系统解决方案的工厂试点工程,对ANEZB 无线ZigBee 通讯模块的实际参数进行了验证。详细参数见表3。参数备注系统容量工作频段 2.4GHz 不同信道,不同ID 可以组成不同的子网。无线信道16个网络ID 数255个子网容量ZigBee 网络终端1个网络中有时需要牺牲一些ZigBee 采集器 表计容量 条件 空旷无障碍地方传输距离 24cm 厚砖墙，宽 4 米的房间 单堵 24cm 厚砖墙 16cm 混 凝 土 楼板，层高 4 米 向上传输 向下传输

16、30 个 254 个 穿透距离（单位：米） 1200 16（3 堵墙） 40 8（2 层板） 4（1 层板） ZigBee 采 集 器 只 作 中 继 路 由，防止个别节点通信不上。 备注 建议安装在靠近外墙， 效果更 好。 注 1：以上表中数据是试点工程中的实测数据。在实际情况实施时，应视楼宇实际结构而定。 注 2：无线信号穿透能力，往往还会受到如房间堆放物品的数量，堆放物品的高度等影响。 4 结束语 基于ZigBee无线网络配电管理系统组网方式比较灵活，而且有效减少了布线工作量，解决了 有线通信方式带来的布线难度大、成本高和升级维护困难等问题。 物联网技术在此能源管理系统中取得了成功的应用，通过设定一些阈值及条件，电灯可依照 亮度传感器的感知数据及夏令、冬令时间自行开关，实现了物物感知、智能控制的效果，而云技 术的运用实现了免IT基础设施的用户应用即时发布，彻底消除了IT设备采购周期、IT维护等因素 的影响。运用物联网技术将使人们的生活更加便捷、