ZigBee無線模塊在電能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘   要：隨著無線技術(shù)的速度發(fā)展，無線抄表系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。作為短距離無線通信一員的ZigBee技術(shù)也得到迅速發(fā)展，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)也成為一個(gè)非常理想無線抄表系統(tǒng)。本文介紹了基于ZigBee無線通信模塊的設(shè)計(jì)，包括軟硬件設(shè)計(jì)。本文還介紹了模塊在ZigBee無線電能管理系統(tǒng)中使用情況及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。
 

1  　引言
　　隨著全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)正逐步展開，用戶端是智能電網(wǎng)重要組成部分，用戶端的核心內(nèi)容包括智能配電與能量管理、智能電器、用電安全、電力計(jì)量等多個(gè)方面。目前能量管理系統(tǒng)都會(huì)考慮采用多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)的方式，以克服現(xiàn)有技術(shù)固有的一些不足，從而達(dá)到滿足系統(tǒng)性能和投資回報(bào)的要求。目前工業(yè)以太網(wǎng)、電力線載波及無線短距離通信被認(rèn)為是AMR自動(dòng)抄表系統(tǒng)可用的解決方案。其中無線短距離通信是一個(gè)很好的本地通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案，工業(yè)以太網(wǎng)、GPRS及CDMA等遠(yuǎn)距離通信可以作為遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，以這樣方式的混合組網(wǎng)被公認(rèn)為一種很好的解決方案。隨著一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee技術(shù)的興起，基于ZigBee技術(shù)的本地?zé)o線自動(dòng)抄表系統(tǒng)成為了一個(gè)熱點(diǎn)。本文主要介紹了一款基于ZigBee技術(shù)無線模塊的設(shè)計(jì)及其在ZigBee無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 　ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
　　ZigBee無線技術(shù)的特點(diǎn)是低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、短距離、通信可靠性高。它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕С?種自組織無線網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。這使ZigBee技術(shù)在低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、可靠性強(qiáng)的無線抄表系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。
 
3 　ZigBee無線模塊的設(shè)計(jì)
　　本文設(shè)計(jì)的ZigBee無線模塊采用導(dǎo)軌式安裝的安裝方式，可以方便地安裝在35mm的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，這使模塊能靈活的安裝在各類配電箱、配電柜中。其外觀側(cè)視圖如圖1所示。ZigBee無線模塊的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　ZigBee無線模塊的技術(shù)指標(biāo)

　　ZigBee無線模塊分為兩類，其中ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)RS485信號(hào)的模塊稱為ZigBee采集模塊；而ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號(hào)的模塊稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端，它是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)發(fā)起者，即ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)。

圖1　ZigBee模塊側(cè)視圖

3.1 硬件設(shè)計(jì)
　　ZigBee無線通信模塊主要由開關(guān)電源部分、ZigBee無線傳輸部分及接口轉(zhuǎn)換部分組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2　ZigBee通信模塊

　　開關(guān)電源電路部分主要采用美國PI公司TOP221Y（TOPSwitch），使用反激式功率變換電路，把交流電源轉(zhuǎn)換成我們需要的直流電源；無線傳輸部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，內(nèi)部帶有MCU芯片和無線收發(fā)器，它的原理圖如圖3所示；功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能，其原理圖如圖4所示；信號(hào)轉(zhuǎn)換電路分RS485轉(zhuǎn)換電路和以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換電路，其中以太網(wǎng)部分采用周立功的IPORT以太網(wǎng)模塊。

圖3　MC13213原理圖

圖4　SKY65336原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)
　　如圖5所示為ZigBee模塊網(wǎng)絡(luò)建立的流程圖，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由中心節(jié)點(diǎn)（即ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端模塊）發(fā)起組建的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立成功后，此時(shí)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)頻段上，并且擁有和ZigBee相同網(wǎng)絡(luò)ID的ZigBee采集模塊可以自動(dòng)加入此ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且每個(gè)ZigBee采集模塊獲得各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址。此時(shí)，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功，可以準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的收發(fā)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端通過廣播的方式傳輸數(shù)據(jù)。

圖5　ZigBee模塊網(wǎng)絡(luò)建立流程圖

　　如圖6所示為ZigBee采集模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D。首先ZigBee采集模塊接收來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端模塊的數(shù)據(jù)。然后判斷是不是傳遞給自己的數(shù)據(jù)，如果是自己的數(shù)據(jù)則上傳相關(guān)的回復(fù)數(shù)據(jù)，如果不是則按照自己發(fā)現(xiàn)的路由表中的地址以廣播的方式轉(zhuǎn)發(fā)來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端模塊的數(shù)據(jù)。最后完成所有工作后進(jìn)入休眠模式，等待下次的訪問。

圖6　ZigBee采集模塊數(shù)據(jù)傳輸流程圖

　　ZigBee采集模塊及ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端都是采用透明傳輸，即直接把以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ZigBee信號(hào)，其中不會(huì)增加多余數(shù)據(jù)，只把數(shù)據(jù)部分轉(zhuǎn)發(fā)，自動(dòng)去掉幀頭、幀尾；RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換ZigBee信號(hào)也是一樣的原理。

4 　基于ZigBee電能管理系統(tǒng)的應(yīng)用
　　如圖7所示為ZigBee電能管理系統(tǒng)，本文遠(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無線網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)ZigBee采集器，通過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)，通過原路返回給監(jiān)控主機(jī)。

圖7　ZigBee電能管理系統(tǒng)

　　整個(gè)系統(tǒng)可以監(jiān)測整個(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。
　　目前整個(gè)系統(tǒng)在江陰某制造企業(yè)實(shí)施運(yùn)行，按照分項(xiàng)計(jì)量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進(jìn)線和出線進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，圖8就是該廠區(qū)的配電圖，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有的進(jìn)線回路進(jìn)行監(jiān)控，并全部使用ZigBee采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，其中包含電流、電壓、電能等參數(shù)，及一些簡單的開關(guān)量的控制。系統(tǒng)還對(duì)一些支路進(jìn)行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進(jìn)行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以便制定更詳細(xì)的節(jié)能方案。

圖8　廠區(qū)配電圖

　　目前，整個(gè)ZigBee無線電能管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個(gè)，包括各類表記82個(gè)塊。圖9為ZigBee無線電能管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個(gè)系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個(gè)表通過485總線連接到一個(gè)ZigBee采集模塊進(jìn)行無線通信，各個(gè)空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個(gè)ZigBee采集模塊，等等。具體視表計(jì)的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個(gè)模塊，分散的分別連接一個(gè)模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

圖9　ZigBee無線電能管理系統(tǒng)通信圖

　　整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好，已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行了一段時(shí)間。圖10為一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢圖，它實(shí)時(shí)反映了工廠這段時(shí)間內(nèi)的電流情況，從而反映整個(gè)廠區(qū)的負(fù)荷情況。

圖10　一段時(shí)間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢圖

　　圖11所示為一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)的具體數(shù)值，它詳細(xì)地記錄了進(jìn)線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數(shù)。整個(gè)廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D12所示，它記錄了一段時(shí)間內(nèi)各個(gè)回路的耗電情況，包括各回路進(jìn)行柜的總電能及分支電能。

圖11　一段時(shí)間內(nèi)的進(jìn)線回路各項(xiàng)參數(shù)

 圖12　各回路電能匯總

5 　總結(jié)
　　隨著無線通信及ZigBee技術(shù)的迅速發(fā)展，基于ZigBee的電能管理系統(tǒng)也將漸漸得到人們的關(guān)注。ZigBee可以很好的解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護(hù)和升級(jí)等問題，而且組網(wǎng)靈活性很高，在電能管理系統(tǒng)中應(yīng)用前景非常廣泛，而且在智能電網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)也有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文介紹的ZigBee無線模塊在ZigBee無線電能系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)很好地對(duì)廠區(qū)中各路進(jìn)線回路進(jìn)行了監(jiān)測，并能真實(shí)的反映廠區(qū)的負(fù)荷情況，將為節(jié)能減排做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。而為了使ZigBee無線電能管理系統(tǒng)能更好地發(fā)揮它的優(yōu)勢，還需不斷優(yōu)化系統(tǒng)中的軟硬件設(shè)備。

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