标题：ZigBee（物联网）电能管理系统
概述
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。
ZigBee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。
ZigBee的组成
ZigBee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。
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，  ZigBee网络拓扑分类它支持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。 
(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)。
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：
型号  
参 数
ANEZB-485
ZigBee采集器
ANEZB-GTW
ZigBee网络终端
无线
频率范围
2.41GHz~2.48GHz
RF信道
16
接收灵敏度
-94dbm
发射功率
-27dbm~25dbm
天  线
外置SMA天线
网络拓扑
网状
寻址方式
IEEE802.15.4/ZigBee标准地址
网络容量
最大255个节点
通信接口
通信接口
RS485
工业以太网
波特率
9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选；
通信协议
MODBUS-RTU协议
LED指示
网络状态指示
绿灯
POWER指示
红灯
数据指示
绿灯
电源
辅助电源
220V AC
功耗
4W
电磁兼容
浪涌电压4000V
快速瞬变群脉冲4000V
静电8000V
机械尺寸
89×76×74mm
工作温度
-20℃~65℃
储藏温度
-40℃~85℃

ZigBee无线抄表解决方案
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、宿舍楼和工厂等无线抄表网络时，它所考虑的因素相对要少。ZigBee无线集抄系统单个子网组成的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通信，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。
从ZigBee电能管理系统中看，远程通信网络采用工业以太网络，网络中电表的通  ZigBee电能管理系统信协议采用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。
安科瑞（Acrel）为生产基地——江苏安科瑞电器制造有限公司设计的针对生产用电  ZigBee（物联网）无线网络的电能管理系统进行管理的电能管理分析系统，是基于ZigBee（物联网）无线网络的电能管理系统[1]，整个系统的组网采用ZigBee与RS485混合组网模式。
整个厂区共设8个集中监测点，分别位于配电间、层配生产动力柜、空调动力柜、排风机控制箱及位于配电末端的几个照明控制箱。每个监测点各设置无线ZigBee采集器一只，通过RS485总线对位于该监测点的电能计量仪表进行通讯组网；监控中心设置ZigBee网络终端一只，结合现场实际情况及考虑通讯的可靠性，于适当位置设置数只ZigBee中继路由器。