物联网(Zigbee)无线网络电能管理系统

Zigbee采集器/终端主要参数见表3。

表3

4.1 ZIGBEE采集器 见图4.1

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2)，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2 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10~100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。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(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)。

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与其他最后一公里通讯技术比较见表1。

ZIGBEE与其他"最后一公里"技术的比较 表1

图6为无线通信抄表系统网络拓扑图，整个网络主要由四部分组成:计量仪表、本地无线通信网络、远方通信网络以及数据交换设备。ZIGBEE无线通信抄表系统的体系结构也继承了无线通信抄表系统，它的结构与无线抄表系统大致一样，整个网络也由计量仪表、ZIGBEE采集器(负责与计量仪表之间的通信)、ZIGBEE网络终端(负责与上层通讯网络的对接，譬如工业太网等)、上层通信网络和数据交换存储设备。ZIGBEE无线通信抄表系统一般采用的组网方式是MESH的网状网络，MESH网络能更好得保证通信质量，保证单一节点出现故障时不影响其他节点通信状态。

随着无线通信及ZigBee技术的迅速发展，基于ZigBee的电能管理系统也将渐渐得到人们的关注。ZigBee可以很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题，而且组网灵活性很高，在电能管理系统中应用前景非常广泛，而且在智能电网领域内也有着广泛的应用前景。

介绍的ZigBee无线模块在ZigBee无线电能系统中得到了成功的应用，整个系统很好地对厂区中各路进线回路进行了监测，并能真实的反映厂区的负荷情况。安科瑞公司将生产智能电力仪表各工段能耗及整机能耗，逐年比对，查找高能耗因数，列入整改，使仪表生产能耗逐年下降，为节能减排做出应有的贡献。而为了使ZigBee无线电能管理系统能更好地发挥它的优势，还需不断优化系统中的软硬件设备。

不管是有线还是无线，抄表系统总会受到环境、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抄表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7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。

5.1 ZIGBEE采集器 见图5.1。

5.2 ZIGBEE网络终端 见图5.2。

图8.1为ZigBee电能管理系统，远程通信网络采用工业以太网络，网络中电表的通信协议采用MODBUS-RTU协议。整个系统中监控主机通过以太网按照TCP/IP协议把MODBUS-RTU命令数据传递给ZigBee网络中心节点，网络中心节点再通过单点对多点的通信模式，以广播的方式把命令数据帧传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器，通过ZigBee采集器传递给485总线上的各个表计，如果表计的地址与命令帧中所涉及的地址吻合，则做出相应的数据回复，通过原路返回给监控主机。

整个系统可以监测整个厂区或整幢楼宇等的各个分项的电能计量，譬如一个厂区路灯耗电量、各个办公室的耗电量、各条生产线的耗电量等等，还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，以制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。

目前整个系统在江苏安科瑞实施运行，按照分项计量的原则，把厂区内的各路进线和出线进行分项计量，图8.2就是该厂区的配电图，整个系统对所有的进线回路进行监控，并全部使用ZigBee采集模块进行数据采集监控，其中包含电流、电压、电能等参数，及一些简单的开关量的控制。系统还对一些支路进行监视，譬如生产线、办公楼、空调等等进行全方位的监视，这样方便工厂了解各项数据，以便制定更详细的节能方案。

该项目整个ZigBee无线电能管理系统采用的无线模块为21个，包括各类表记82个块。图8.3为ZigBee无线电能管理系统中的通信图，它列出了整个系统包含的所有表计。其中配电室的14个表通过485总线连接到一个ZigBee采集模块进行无线通信，各个空调插座由于比较分散，各采用一个ZigBee采集模块，等等。具体视表计的离散情况，集中在一起的用485总线连接一个模块，分散的分别连接一个模块。以这样的方式比较灵活，减少布线带来的困难。

图8.3 ZigBee无线电能管理系统通信图

整个系统运行良好，已经在现场运行了一段时间。图8.4为一段时间内主进线电流趋势图，它实时反映了工厂这段时间内的电流情况，从而反映整个厂区的负荷情况。

图8.4 一段时间内主进线电流趋势图

图8.5为一段时间内的进线回路各项参数的具体数值，它详细地记录了进线回路三相电压、电流、有功电能、无功能电能、功率因素、频率参数。整个厂区各回路电能汇总如图8.6所示，它记录了一段时间内各个回路的耗电情况，包括各回路进行柜的总电能及分支电能。

该书从PIC单片机的基础讲起，逐步展开ZigBee无线网络技术的相关知识，最后通过大量的实验，让读者实际体验如何具体使用ZigBee无线技术进行实际产品的开发设计。作者希望以动手实践为主轴，让读者在不断的实验中，循序渐进地完成PIC单片机和ZigBee无线技术的有机结合，像开发简单单片机系统一样，完成复杂zigBee无线产品和技术的开发。该书适合广大从事单片机、无线应用、自动控制、工业控制、无线传感等的工程技术人员作为学习、参考用书，也可作为高等院校的计算机、电子、自动化、无线课程的教学参考书。

第1章实验系统介绍

1.1ZigBee无线模块

1.2CPU模块

1.3实验板

1.3.1A1--传感器

1.3.2A3--RS232接口

1.3.3A4--FT232RL设计

1.3.4A5--电源

1.3.5B1--JTAG

1.3.6B2--无线模块(CC2420)插座

1.3.7B3--MCU插座

1.3.8B4--键盘

1.3.9C1--显示区

1.3.10C2--电机

1.3.11C3--蜂鸣器

1.4移动扩展板介绍

1.4.1OLED显示

1.4.2传感器

1.4.3其他

1.5MPLABIDC2的使用

1.6实验开发系统套件

第2章PIC及ZigBee软件开发环境

2.1PICC语言

2.1.1PICC语言概述

2.1.2MPLABC18编译器

2.1.3数据类型及数值范围

2.1.4存储类别

2.1.5预定义宏名

2.1.6常量

2.1.7语言的扩展

2.2MPLABIDE集成开发环境

2.3MPLABC18编译器

2.3.1C18编译器安装

2.3.2MPLABIDE集成环境配置

2.4MicrochipStackforZigBee

第3章PIC单片机基础

3.1PIC单片机概述

3.2PIC单片机特点

3.3PIC18F4620单片机概述

3.3.1纳瓦技术

3.3.2多个振荡器的选项和特性

3.3.3其他特殊功能

3.4PIC18F4620单片机CPU的特殊功能

3.5PIC18F4620单片机振荡器及复位

3.6PIC18F4620单片机存储空间

3.7PIC18F4620单片机8×8硬件乘法器

第4章I/O端口

4.1PIC18F4620单片机I/O端口

4.2I/O端口A(PORTA)

4.3I/O端口B(PORTB)

4.4I/O端口C(PORTC)

4.5I/O端口D(PORTD)

4.6I/O端口E(PORTE)

4.7并行从动端口(PSP)

4.8I/O端口实验

4.8.1LED灯闪烁实验

4.8.2键盘实验

第5章定时器

5.1定时/计数器0(TIMER0)模块

5.2定时/计数器1(TIMER1)模块

5.3定时/计数器2(TIMER2)模块

5.4定时/计数器3(TIMER3)模块

5.5定时/计数器实验

第6章增强型通用同步/异步收发器

6.1EUSART寄存器

6.2波特率发生器(BRG)

6.3EUSART异步模式

6.4EUSART同步主控模式

6.5EUSART同步从动模式

6.6EUSART实验

第7章中断

7.1中断概述

7.2中断的现场保护

7.3中断寄存器

7.4INTn引脚中断

7.5TMR0中断

7.6PORTB电平变化中断

7.7中断实验

7.7.1定时器中断实验

7.7.2串口中断实验

第8章主控同步串行端口

8.1控制寄存器

8.2SPI模式

8.2.1工作原理

8.2.2寄存器

8.2.3典型连接

8.2.4主控模式

8.2.5从动模式

8.2.6从动选择同步

8.2.7功耗管理模式下的操作

8.3I2C模式

8.4MSSP实验

8.4.1温度传感器(LM95)实验

8.4.2OLED实验

第9章PIC18F4620模数转换器(A/D)

9.1A/D寄存器

9.2A/D转换方式

9.3A/D采集要求

9.4选择和配置采集时间

9.5选择A/D转换时钟

9.6配置模拟端口引脚

9.7A/D转换

9.8在功耗管理模式下的操作

9.9实验

第10章捕捉/比较/PWM(CCP)

10.1寄存器

10.2CCP模块配置

10.3捕捉模式

10.4比较模式

10.5PWM模式

10.6实验

10.6.1蜂鸣器实验

10.6.2电机驱动实验

第11章短距离无线数据通信基础

11.1ZigBee无线网络使用的频谱和ISM开放频段

11.2无线数据通信网络

11.3无线CSMA/CA协议

11.4典型的短距离无线数据网络技术

11.4.1ZigBee

11.4.2WiFi

11.4.3蓝牙(Bluetooth)

11.4.4超宽频技术(UWB)

11.4.5近短距无线传输(NFC)

11.5无线通信和无线数据网络广阔的应用前景

第12章ZigBee无线芯片CC2420

12.1芯片主要性能特点

12.2芯片CC2420内部结构

12.3IEEE802.15.4调制模式

12.4CC2420的RX与TX模式

12.4.1接收模式

12.4.2发送模式

12.5MAC数据格式

12.6配置寄存器

12.7参考设计电路

12.8控制实验

12.8.1实验现象分析

12.8.2SPI相关宏定义

12.8.3CC2420初始化函数

12.8.4发送数据包函数

12.8.5中断接收

12.8.6发送主函数--移动扩展模块

12.8.7接收主函数--实验扩展板

第13章ZigBee协议栈结构和原理

13.1ZigBee协议栈概述

13.2IEEE802.15.4通信层

13.2.1PHY(物理)层

13.2.2MAC(介质接入控制子层)层

13.3ZigBee协议结构体系

13.4网络层

13.4.1网络层数据实体(NLDE)

13.4.2网络层管理实体(NLME)

13.4.3网络层功能描述

13.5应用层

13.5.1应用支持子层

13.5.2应用层框架

13.5.3应用通信基本概念

13.5.4ZigBee设备对象

第14章ZigBee网络实现实验

14.1建立网络

14.2连接网络

14.2.1允许连接网络

14.2.2连接网络

14.3断开网络

14.3.1子设备请求断开网络

14.3.2父设备要求子设备断开网络

14.4网络实验

第15章ZigBee网络拓扑介绍

15.1ZigBee技术体系结构

15.2网络拓扑拓扑结构形成

15.2.1星型网络拓扑结构的形成

15.2.2对等网络拓扑结构的形成

15.3ZigBee绑定实验

15.3.1协调器程序设计

15.3.2终端设备程序设计

第16章ZigBee网络路由实验

16.1路由基本知识

16.1.1路由器功能

16.1.2路由成本

16.1.3路由表

16.1.4路由选择表

16.2路由器工作原理

16.2.1路由选择

16.2.2路由维护

16.3ZigBee路由实验

第17章ZigBee无线测温系统

17.1无线测温系统原理与实现

17.2无线测温系统程序设计

17.2.1协调器程序设计

17.2.2终端设备程序设计

第18章基于ZigBee节能型路灯控制系统

18.1路灯自动控制系统原理及实现

18.2路灯自动控制系统程序设计

18.2.1协调器设计

18.2.2终端设备设计

第19章ZigBee无线点菜系统

19.1无线点菜系统原理和实现

19.2无线点菜系统程序设计

19.2.1协调器设计

19.2.2终端设备设计

参考文献

《ZigBee技术及应用》围绕ZigBee技术的理论和应用作较全面的介绍。在简要介绍无线组网通信技术的基础上，第2章详细介绍了ZigBee协议栈的基础--IEEE 802.15.4无线个域网协议;第3章对ZigBee协议规范1.0版本进行了阐述。从第4章开始，分别介绍基于单片RF收发器和SoC方式的一些典型ZigBee技术实现平台，主要产品有Freescale公司的MCl3192/MCl3193，Chipcon公司(已被TI公司收购)的CC2420、CC2430和Ember公司的EM250，对其芯片的特性、功能和应用等进行了描述。第8章介绍MCl3192的一个应用实例;第9章是CC2420 ZigBee DK开发套件的介绍。