ZigBee無線模塊在電能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝昕東¹康小華²蘇峰³

（1．淄博建筑設(shè)計(jì)院 山東淄博 255000）
（2．江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院天津分院 天津市 300457）
（3．上海安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801）

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)中使用情況及整個系統(tǒng)運(yùn)行情況。
關(guān)鍵詞：ZigBee，通信模塊，無線技術(shù)，電能管理系統(tǒng)

Application of ZigBee Wireless Model in energy Management System
XIE xindong¹　KANG xiaohua²　SU Feng³
（1.Zibo Institute of Architectural Design and Research, Zibo 255000,China;
2.Tianjin Branch,Jiangxi Province Architectural & Design General Institute,Tianjin300457,China;
3.Shanghai Acrel Co.,Shanghai201801,China）

Abstract: By the rapid development of the wireless technology, the wireless meter system development become fast. ZigBee ,as one of the small distance wireless technology, also develops quickly. This paper introduced the design of ZigBee wireless communication model, including the design of hardware and software. this paper also introduced the model’s application in ZigBee wireless energy management system and the work state of this energy management system.
Key Word: ZigBee; Communication Model, Wireless Technology; energy Management System
 
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)量等多個方面。目前能量管理系統(tǒng)都會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自動抄表系統(tǒng)可用的解決方案。其中無線短距離通信是一個很好的本地通信網(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線自動抄表系統(tǒng)成為了一個熱點(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信號轉(zhuǎn)RS485信號的模塊稱為ZigBee采集模塊；而ZigBee信號轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號的模塊稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端，它是整個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，此時在同一個網(wǎng)絡(luò)頻段上，并且擁有和ZigBee相同網(wǎng)絡(luò)ID的ZigBee采集模塊可以自動加入此ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且每個ZigBee采集模塊獲得各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)地址。此時，整個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，其中不會增加多余數(shù)據(jù)，只把數(shù)據(jù)部分轉(zhuǎn)發(fā)，自動去掉幀頭、幀尾；RS485信號轉(zhuǎn)換ZigBee信號也是一樣的原理。

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ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計(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)

　　整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項(xiàng)的電能計(jì)量，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量、各個辦公室的耗電量、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時間內(nèi)的各個分項(xiàng)能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間里的各個分項(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，整個系統(tǒng)對所有的進(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ZigBee無線電能管理系統(tǒng)采用的無線模塊為21個，包括各類表記82個塊。圖9為ZigBee無線電能管理系統(tǒng)中的通信圖，它列出了整個系統(tǒng)包含的所有表計(jì)。其中配電室的14個表通過485總線連接到一個ZigBee采集模塊進(jìn)行無線通信，各個空調(diào)插座由于比較分散，各采用一個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總線連接一個模塊，分散的分別連接一個模塊。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

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

圖10　一段時間內(nèi)主進(jìn)線電流趨勢圖

　　圖11所示為一段時間內(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)。整個廠區(qū)各回路電能匯總?cè)鐖D12所示，它記錄了一段時間內(nèi)各個回路的耗電情況，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，整個系統(tǒng)很好地對廠區(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。

　　文章來源于：《電氣傳動自動化》2011年3期。

參考文獻(xiàn)：
[1]王權(quán)平,王莉. 通訊世界，2003（4）.
[2]江修波. ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用. 低壓電器,2005（7）.
[3]常猛,楊小林,劉釗. ZigBee技術(shù)及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用. 建筑電氣,2010（4）.
[4]呂震庭,曹建. ZigBee技術(shù)在電力設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用. 電子測量技術(shù),2008,31(2):191-194
[5]胡平平,王東興,王晶杰. ModBus 協(xié)議在無線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2005, 41(17): 211-214.

作者簡介:
蘇鋒（1983-），男，碩士，工程師，就職于上海安科瑞電氣股份有限公司，研究方向?yàn)閆igBee技術(shù)和電能檢測技術(shù)。  QQ:1990381446    E-mail:15052183915@163.com