ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统设计与选型方案
全建红
上海安科瑞电气股份有限公司 上海 嘉定 201801
1．概述
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的技术，称之为ZigBee，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。
由于ZigBee的优越特性，基于ZigBee技术的无线组网是一种比较合适的下行信道的实现手段。适合应用于一些短距离的无线网络的组网，例如写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络，适用于企业内部能耗监测及管理系统，尤其适用于一些布线困难旧楼改造的能耗管理系统中。而若将其与成熟的工业以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，与后台管理主站组成一个完整的集抄和监控系统，则可以为远程管理提供一个有效的解决方案。ZigBee与其他最后
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载波 |
RS485 |
ZigBee无线 |
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建网难度 |
简单 |
困难 |
简单 |
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一次性投资 |
小 |
一般 |
较大 |
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运行维护 |
困难 |
比较困难 |
容易 |
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通信速度 |
低 |
高 |
高 |
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可靠性 |
差 |
一般 |
好 |
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实时监控 |
不能 |
能 |
能 |
表1 ZigBee与其他“最后一公里”技术的比较
2．ZigBee技术特点
ZigBee协议基于IEEE 802.15.4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等短距离无线通讯技术相比较，ZigBee的特点主要有：
图1 ZigBee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4 KB代码。
(3)低速率、短延时。ZigBee的最大通信速率达到250 kb／s(工作在2．4 GHz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，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距离，高容量。传输范围一般介于10～
(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、使用接人控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AdvancedEncryption 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2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
3 ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统表计的选型方案
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应用场合 |
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型号 |
主要功能 |
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高压重要回路或低压进线柜 |
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ACR330ELH |
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计；THDu，THDi、2-31次各次谐波分量；电压波峰系数、电话波形因子、电流K系数、电压与电流不平衡度计算；电网电压电流正、负、零序分量（含负序电流）测量；4DI+3DO（DO3做过压、欠压、过流、不平衡报警）；RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约 |
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低压联络柜、出线柜 |
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ACR220EL |
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议 |
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动力柜 |
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ACR120EL |
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；4DI+2DO；RS485通讯接口、Modbus协议 |
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DTSD1352 (ADL3000) |
LCD显示、全电参量测量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限电能计量、复费率电能统计、最大需量统计；电流规格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选 |
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照明箱 |
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DTSF1352 (ADL300) |
电流规格1.5(6)A、 5(20)A、10(40)A、20(80)A可选、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T 645规约可选 |
三相电能计量 |
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DDSF1352 (ADL100) |
电流、电压测量；单相电能计量 |
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DDSD1352 |
电流规格10(60)A、可编程、复费率电能统计、电能脉冲输出、RS485通讯接口、Modbus协议或DL/T645规约可选 |
全电参量测量 （I、U、P、Q、S、PF、F） 单相电能计量 |
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数据无线传输 |
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ANEZB-485 ZIGBEE采集器 |
采集来自485总线上的数据、完成485信号转成无线信号、导轨式安装 |
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ANEZB-GTW ZIGBEE网络终端 |
接收来自以太网上的数据、完成以太网信号转成无线信号、导轨式安装 |
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3.1 ZigBee采集器/终端主要参数见表2。
表2
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型号 参 数 |
ANEZB-485 ZigBee采集器 |
ANEZB-GTW ZigBee网络终端 |
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无线 |
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频率范围 |
2.41GHz~2.48GHz |
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RF信道 |
16 |
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接收灵敏度 |
-94dbm |
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发射功率 |
-27dbm~25dbm |
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天 线 |
外置SMA天线 |
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网络拓扑 |
网状 |
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寻址方式 |
IEEE802.15.4/ZigBee标准地址 |
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网络容量 |
最大255个节点 |
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通信接口 |
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通信接口 |
RS485 |
工业以太网 |
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波特率 |
9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选； |
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通信协议 |
MODBUS-RTU协议 |
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LED指示 |
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网络状态指示 |
绿灯 |
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POWER指示 |
红灯 |
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数据指示 |
绿灯 |
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电源 |
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辅助电源 |
220V AC |
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功耗 |
4W |
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电磁兼容 |
浪涌电压4000V |
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快速瞬变群脉冲4000V |
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静电8000V |
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机械尺寸 |
89×76× |
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工作温度 |
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储藏温度 |
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3.2 ZigBee采集器 见图3.2
图3.2 ANEZB-485采集器接线
3.3 ZigBee网络终端 见图3.3
图3.3 ANEZG-GTW网络终端接线图
4 ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统
不管是有线还是无线，电能管理系统总会受到环境、距离和场合等因素的影响而各有其不同的解决方案。基于ZigBee（物联网）无线网络电能管理系统也不会脱离这个约束，它也会由环境、距离和场合等因素的影响而异，有不同的解决方案。由于ZigBee的定位是短距离的通信，应用于写字楼、办公楼、宿舍楼、工厂等无线抄表网络时，它所考虑的因素相对要少。
图4为ZigBee无线集抄系统单个子网组成示意图，整个系统前面阐述的系统体系结构的组成一样，主要由上行网络工业以太网和下行网络ZigBee无线局域网络组成。整个子网主要由电表、ZigBee采集器以及ZigBee网络终端组成。电表可以采用ACREL的1352系列卡式电能表和ACR网络电力仪表等，它们与ZigBee采集器之间采用RS485通讯，采用MODBUS通信协议；ZigBee采集器下面最多可以连接32个表；由于MODBUS地址有限，整个ZigBee子网中最多能连接255个表；为了保障通信连接的可靠性，有的时候要视环境和距离的情况，需要多加几个路由功能的网络节点（ZigBee采集器配置成路由功能），以保证有些孤远节点的通信正常；另外考虑到无线网络的拥塞度和实时性传输，建议整个子网中的无线节点（即ZigBee采集器）的个数不应大于60个，这样能保证网络中的通信质量。每个ZigBee子网都有各自的ID识别和频段的划分，这样可以帮助扩充更多的表计数。
图4 ZigBee无线集抄系统单个子网组成示意图
5 系统报价
单位：元（RMB）
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名称 |
型号 |
单位 |
面价 |
备注 |
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监控主机 |
IPC610H/PIV |
台 |
8500 |
均可用户自备，以当时市场价格为准，该报价仅供参考 |
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显示器 |
三星19寸液晶显示器 |
台 |
3000 |
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三星22寸液晶显示器 |
台 |
3800 |
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打印机 |
HP LaserJet |
台 |
2500 |
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EPSON-LQ1600KIIIH A3 |
台 |
4000 |
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UPS电源 |
山特C1KS |
台 |
5000 |
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|
山特C2KS |
台 |
6500 |
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通讯机柜 |
1200×600×600 |
面 |
3000 |
||
|
2200×600×600 |
面 |
5000 |
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通讯转换 |
扩展卡ACRNET-PCI/4 |
块 |
3000 |
扩展卡 |
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|
串口服务器ACRNET-PORT(2口) |
只 |
3000 |
串口服务器 |
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串口服务器ACRNET-PORT(4口) |
只 |
5500 |
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通讯前置机ACRNET-UC02(2口) |
只 |
4000 |
通讯前置机 |
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|
通讯前置机ACRNET-UC04(4口) |
只 |
6000 |
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通讯前置机ACRNET-UC08(8口) |
只 |
11500 |
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通讯管理机ACRHMI |
台 |
30000 |
人机界面 |
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组网设备 |
网络交换机EDS-208 |
台 |
3000 |
局域组网 |
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网络交换机EDS-408 |
台 |
8500 |
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监控软件 |
Acrel监控组态软件V6.0 |
系统组态软件 图形组态软件 电能管理软件 数据库软件 |
套 |
3万 |
设备数量1～10 |
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4万 |
设备数量11～20 |
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6万 |
设备数量21～40 |
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8万 |
设备数量41～80 |
||||
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10万元以上 |
设备数量80以上 |
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双机版 |
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套 |
|
单机价格×1.5 |
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数据转发 |
每+1用户 |
套 |
3000 |
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Web发布 |
每+1用户（总用户数≤5） |
套 |
5000 |
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ZigBee 无线模块 |
ANEZB-485 |
台 |
1200 |
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|
ANEZB-GTW |
台 |
1500 |
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电力仪表 |
ACR330ELH |
台 |
4860 |
|
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|
ACR220ELH |
台 |
4280 |
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||
|
ACR120ELH |
台 |
3580 |
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导轨式安装电表 |
DTSD1352 |
台 |
2050 |
|
|
|
DTSF1352 |
台 |
1200 |
|
||
|
DDSF1352 |
台 |
600 |
|
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|
DDSD1352 |
台 |
2950 |
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注：ZigBee无线模块、电力仪表、导轨式安装电表可按上述报价的70%优惠供应。
7 结束语
ZigBee技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的一个，ZigBee（物联网）无线网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。
作者简介：
1、 全建红，研究方向为电能管理技术 Tel: 13916394781 021-59104852 Fax:69158302 Email:acrelqjh@163.com