ZigBee無線模塊在電能管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

安科瑞 徐玉麗

（江蘇安科瑞電器制造有限公司 江蘇江陰 214405）

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，包括軟硬件設(shè)計。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)運行情況。
關(guān)鍵詞：ZigBee，通信模塊，無線技術(shù)，電能管理系統(tǒng) 
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，從而達到滿足系統(tǒng)性能和投資回報的要求。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等遠距離通信可以作為遠程通信網(wǎng)絡(luò)，以這樣方式的混合組網(wǎng)被公認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。本文主要介紹了一款基于ZigBee技術(shù)無線模塊的設(shè)計及其在ZigBee無線自動抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 　ZigBee技術(shù)的特點
ZigBee無線技術(shù)的特點是低耗電、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)拓撲主要支持3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
本文設(shè)計的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的標準導(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)指標如表1所示。

表1　ZigBee無線模塊的技術(shù)指標

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。

圖1　ZigBee模塊側(cè)視圖

3.1 硬件設(shè)計
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
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（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立的網(wǎng)絡(luò)地址。此時，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功，可以準備數(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，網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式，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，如果表計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。

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的電能計量，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，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項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的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已達到節(jié)能減耗的效果。
目前整個系統(tǒng)在江陰某制造企業(yè)實施運行，按照分項計量的原則，把廠區(qū)內(nèi)的各路進線和出線進行分項計量，圖8就是該廠區(qū)的配電圖，整個系統(tǒng)對所有的進線回路進行監(jiān)控，并全部使用ZigBee采集模塊進行數(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)還對一些支路進行監(jiān)視，譬如生產(chǎn)線、辦公樓、空調(diào)等等進行全方位的監(jiān)視，這樣方便工廠了解各項數(shù)據(jù)，以便制定更詳細的節(jié)能方案。