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物联网(ZigBee)技术在能源管理系统中的应用
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（完整内容请下载后查看）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
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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。
1.3 ZigBee技术的特点
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 等短距离无线通信技术相比较，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 2.4GHz 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，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需 3～10S、Wi-Fi 需 3S。
(4)近距离，高容量。传输范围一般介于 10～100 m，在增加 RF 发射功率后，亦可增加到 1~3km。
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)。
1.4 ZigBee 的性能参数
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee网络终端为例，其主要参数见表1.
表1
型 号
ANEZB-485
ANEZB-GTW
参 数
无线
ZigBee 采集器
ZigBee 网络终端
频率范围
RF 信道
2.41GHz~2.48GHz
16
接收灵敏度
发射功率
-94dbm
-27dbm~25dbm
外置 SMA 天线
网状
天
线
网络拓扑
寻址方式
网络容量
通信接口
IEEE802.15.4/ZigBee 标准地址
最大 255 个节点
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