安科瑞ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)

ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)
1 概述
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。適合應用于一些短距離的無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等，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”技術(shù)比較見表1。
表1. ZIGBEE與其他“最后一公里”技術(shù)的比較
載波PLC RS485 ZIGBEE無線
建網(wǎng)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(shù)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(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(shù)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(shù)據(jù)的應用需求。ZIGBEE的響應速度較快，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)務預留了專用時隙，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(wǎng))無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
ZIGBEE(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖，整個網(wǎng)絡主要由四部分組成：計量儀表、本地無線通信網(wǎng)絡、遠方通信網(wǎng)絡以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。整個網(wǎng)絡由計量儀表、ZIGBEE采集器（負責與儀表之間的通信）、ZIGBEE網(wǎng)絡終端（負責與上層通訊網(wǎng)絡的對接，譬如工業(yè)以太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)交換存儲設(shè)備。ZIGBEE無線通信管理系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，MESH網(wǎng)絡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)。

公司通過建立ZIGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)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(shù)進行了驗證。詳細參數(shù)見表2。
表2 ANEZB系列ZIGBEE通訊模塊性能參數(shù)表
參數(shù) 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(wǎng)。
無線信道 16個
網(wǎng)絡ID數(shù) 255個
子網(wǎng)容量
ZIGBEE網(wǎng)絡終端 1個 網(wǎng)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(shù)據(jù)是試點工程中的實測數(shù)據(jù)。在實際情況實施時，應視樓宇實際結(jié)構(gòu)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(shù)量，堆放物品的高度等影響。

6.5 性能參數(shù)

ANEZB-485
ZIGBEE采集器 ANEZB-GTW
ZIGBEE網(wǎng)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(wǎng)絡拓撲 網(wǎng)狀
尋址方式 IEEE802.15.4/ZIGBEE標準地址
網(wǎng)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(wǎng)
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(wǎng)絡狀態(tài)指示 綠燈
POWER指示 紅燈
數(shù)據(jù)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?nèi)好}沖4000V
靜電8000V
機械尺寸 89*76*74
工作溫度 -20℃~65℃
儲藏溫度 -40℃~85℃