1、物联网技术在能源管理系统中的应用王辉 12 测控（1）2012339930030无处不在的互联网通信时代即将到来，物联网被专家和许多国家认为是都互联网浪潮后的再次科学技术革命。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一个最流行的最有竞争力的行业。传统的能量管理系统中通常需要部署的现场总线，然后连接现场设备与计算机进行数据处理，并显示给用户的界面，当有大量的数据，可能需要单独的数据处理服务器，并且如果需要实现远程的跨区域的管理，还需要建立在互联网上的专用服务器，所以，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
2、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，物联网技术在互联网被引入到远程能源管理系统中，无线传感器网络领域的传感器和设备的连接，上部采用互联网技术服务，消除现场布线的麻烦，可以消除网络硬件投入和日常维护，同时可以方便地基于 WEB 服务实现远程管理。ZigBee 技术的特点 ZigBee 协议基于 IEEE 802.15.4标准，从2004年发布 ZigBee V10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
3、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
4、的最大通信速率达到250 kbs(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310S、Wi-Fi 需3S。(4)近距离，高容量。传输范围一般介于10100 m，在增加 RF 发射功率后，亦可增加到13km。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(M
5、edium 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)。能源管理系统的设计 1 工作原理 能
6、源管理系统主要实现对区域内用电设备的智能管理，感知层采用 ZigBee 无线通讯技术。由于 ZigBee 网络具有设备成本低、设备体积小、省电、网络自愈能力强等特点，非常适合广泛应用在智能家庭、工业控制、能源管理、医疗监控等物联网领域。网关和网络电力仪表、智能开关组成一个 ZigBee 私域网络，实现相互之间的连接。网关可进行本地逻辑运算，实现本地智能。 2 系统结构 能源管理系统由现场采集执行器、本地数据处理、应用服务程序等几个部分组成。其系统结构见图2。（1）现场采集执行器：主要有 ACR330ELH、ACR220EL 卡表 （2）应用服务程序：运行于 Google 云技术服务平台，基于
7、Google App Engine 开发的web 应用程序，具有权限的用户在任何可以接入互联网的地方，使用 Web 浏览器登录，即可查看该能源管理系统中的设备运行状态，以及能耗数据报信息。 3 能源管理系统计量体系宜选电力仪表 建立能源管理系统应先建立计量体系。数据先于决策，节能始于计量。为了不重复投资，造成浪费，能源管理系统应与配电系统一体化，直接在配电系统中采集能耗数据。电能计量宜采用电力仪表作为内部管理电表，不宜用收费电表。在电能管理中，供电部门一般会在总进线处安装收费电表。考虑内部电能计量与节能管理的需要，在用户安装收费电表的基础上安装电力仪表，用于内部电能管理。因此用户可自主选择采购
8、，但应注意制造商是否有电力仪表（电能部分）的计量许可证。电力仪表可以完成对各回路、各功能区的分项电能数据的采集，通过后台电能管理系统完成电能分项计量。4 ZigBee 无线抄表解决方案 图3为 ZigBee 能源管理系统，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
9、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。物联网技术在此能源管理系统中取得了成功的应用，通过设定一些阈值及条件，电灯可依照亮度传感器的感知数据及夏令、冬令时间自行开关，实现了物物感知、智能控制的效果，而云技术的运用实现了免 IT 基础设施的用户应用即时发布，彻底消除了 IT 设备采购周期、IT 维护等因素的影响。运用物联网技术将使人们的生活更加便捷、更加智能化，物联网技术将会越来越多的被应用，物联网应用也会从目前的局限于一个工厂、一栋楼宇的局域感知型物联网，向大范围、众多不同设备互联的广域感知型物联网发展。但是由于当前物联网技术还没有相关统一的标准体系，且物联网本身的定义还存在争论，因此，全面普及的大范围广域物联网还有许多路要走。
