1 　引言
　　隨著全球範圍內(nei) 智能電網建設正逐步展開，用戶端是智能電網重要組成部分，用戶端的核心內(nei) 容包括智能配電與(yu) 能量管理、智能電器、用電安全、電力計量等多個(ge) 方麵。目前能量管理係統都會(hui) 考慮采用多種通信技術混合組網的方式，以克服現有技術固有的一些不足，從(cong) 而達到滿足係統性能和投資回報的要求。目前工業(ye) 以太網、電力線載波及無線短距離通信被認為(wei) 是AMR自動抄表係統可用的解決(jue) 方案。其中無線短距離通信是一個(ge) 很好的本地通信網絡的解決(jue) 方案，工業(ye) 以太網、GPRS及CDMA等遠距離通信可以作為(wei) 遠程通信網絡，以這樣方式的混合組網被公認為(wei) 一種很好的解決(jue) 方案。隨著一種新興(xing) 的短距離、低速率無線網絡技術ZigBee技術的興(xing) 起，基於(yu) ZigBee技術的本地無線自動抄表係統成為(wei) 了一個(ge) 熱點。本文主要介紹了一款基於(yu) ZigBee技術無線模塊的設計及其在ZigBee無線自動抄表係統中的應用。

2 　ZigBee技術的特點
　　ZigBee無線技術的特點是低耗電、低成本、低數據速率、短距離、通信可靠性高。它的網絡拓撲主要支持3種自組織無線網絡類型，即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和係統可靠性。這使ZigBee技術在低耗電、低成本、低數據速率、可靠性強的無線抄表係統中發揮巨大的作用。

3 　ZigBee無線模塊的設計
　　本文設計的ZigBee無線模塊采用導軌式安裝的安裝方式，可以方便地安裝在35mm的標準導軌上，這使模塊能靈活的安裝在各類配電箱、配電櫃中。其外觀側(ce) 視圖如圖1所示。ZigBee無線模塊的技術指標如表1所示。

表1　ZigBee無線模塊的技術指標

　　ZigBee無線模塊分為(wei) 兩(liang) 類，其中ZigBee信號轉RS485信號的模塊稱為(wei) ZigBee采集模塊；而ZigBee信號轉以太網信號的模塊稱為(wei) ZigBee網絡終端，它是整個(ge) ZigBee網絡的組網發起者，即ZigBee網絡中的中心節點。

圖1　ZigBee模塊側(ce) 視圖

3.1 硬件設計
　　ZigBee無線通信模塊主要由開關(guan) 電源部分、ZigBee無線傳(chuan) 輸部分及接口轉換部分組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2　ZigBee通信模塊

　　開關(guan) 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，把交流電源轉換成我們(men) 需要的直流電源；無線傳(chuan) 輸部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，內(nei) 部帶有MCU芯片和無線收發器，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；信號轉換電路分RS485轉換電路和以太網轉換電路，其中以太網部分采用周立功的IPORT以太網模塊。

圖3　MC13213原理圖

圖4　SKY65336原理圖

3.2 軟件設計
　　如圖5所示為(wei) ZigBee模塊網絡建立的流程圖，整個(ge) ZigBee網絡是由中心節點（即ZigBee網絡終端模塊）發起組建的，當網絡建立成功後，此時在同一個(ge) 網絡頻段上，並且擁有和ZigBee相同網絡ID的ZigBee采集模塊可以自動加入此ZigBee網絡，並且每個(ge) ZigBee采集模塊獲得各自獨立的網絡地址。此時，整個(ge) ZigBee網絡建立成功，可以準備數據的收發，ZigBee網絡終端通過廣播的方式傳(chuan) 輸數據。

圖5　ZigBee模塊網絡建立流程圖

　　如圖6所示為(wei) ZigBee采集模塊數據傳(chuan) 輸的流程圖。首先ZigBee采集模塊接收來自ZigBee網絡終端模塊的數據。然後判斷是不是傳(chuan) 遞給自己的數據，如果是自己的數據則上傳(chuan) 相關(guan) 的回複數據，如果不是則按照自己發現的路由表中的地址以廣播的方式轉發來自ZigBee網絡終端模塊的數據。最後完成所有工作後進入休眠模式，等待下次的訪問。

圖6　ZigBee采集模塊數據傳(chuan) 輸流程圖

　　ZigBee采集模塊及ZigBee網絡終端都是采用透明傳(chuan) 輸，即直接把以太網的數據轉換成ZigBee信號，其中不會(hui) 增加多餘(yu) 數據，隻把數據部分轉發，自動去掉幀頭、幀尾；RS485信號轉換ZigBee信號也是一樣的原理。

4 　基於(yu) ZigBee電能管理係統的應用
　　如圖7所示為(wei) ZigBee電能管理係統，本文遠程通信網絡采用工業(ye) 以太網絡，網絡中電表的通信協議采用MODBUS-RTU協議。整個(ge) 係統中監控主機通過以太網按照TCP/IP協議把MODBUS-RTU命令數據傳(chuan) 遞給ZigBee網絡中心節點，網絡中心節點再通過單點對多點的通信模式，以廣播的方式把命令數據幀傳(chuan) 遞給ZigBee無線網絡中的各個(ge) ZigBee采集器，通過ZigBee采集器傳(chuan) 遞給485總線上的各個(ge) 表計，如果表計的地址與(yu) 命令幀中所涉及的地址吻合，則做出相應的數據回複，通過原路返回給監控主機。

圖7　ZigBee電能管理係統

　　整個(ge) 係統可以監測整個(ge) 廠區或整幢樓宇等的各個(ge) 分項的電能計量，譬如一個(ge) 廠區路燈耗電量、各個(ge) 辦公室的耗電量、各條生產(chan) 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(nei) 的各個(ge) 分項能耗占總能耗的百分比，以便工廠了解這段時間裏的各個(ge) 分項的能耗，以製定出往後能耗管理方案，已達到節能減耗的效果。
　　目前整個(ge) 係統在江陰某製造企業(ye) 實施運行，按照分項計量的原則，把廠區內(nei) 的各路進線和出線進行分項計量，圖8就是該廠區的配電圖，整個(ge) 係統對所有的進線回路進行監控，並全部使用ZigBee采集模塊進行數據采集監控，其中包含電流、電壓、電能等參數，及一些簡單的開關(guan) 量的控製。係統還對一些支路進行監視，譬如生產(chan) 線、辦公樓、空調等等進行全方位的監視，這樣方便工廠了解各項數據，以便製定更詳細的節能方案。

圖8　廠區配電圖

　　目前，整個(ge) ZigBee無線電能管理係統采用的無線模塊為(wei) 21個(ge) ，包括各類表記82個(ge) 塊。圖9為(wei) ZigBee無線電能管理係統中的通信圖，它列出了整個(ge) 係統包含的所有表計。其中配電室的14個(ge) 表通過485總線連接到一個(ge) ZigBee采集模塊進行無線通信，各個(ge) 空調插座由於(yu) 比較分散，各采用一個(ge) ZigBee采集模塊，等等。具體(ti) 視表計的離散情況，集中在一起的用485總線連接一個(ge) 模塊，分散的分別連接一個(ge) 模塊。以這樣的方式比較靈活，減少布線帶來的困難。

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圖9　ZigBee無線電能管理係統通信圖

　　整個(ge) 係統運行良好，已經在現場運行了一段時間。圖10為(wei) 一段時間內(nei) 主進線電流趨勢圖，它實時反映了工廠這段時間內(nei) 的電流情況，從(cong) 而反映整個(ge) 廠區的負荷情況。

圖10　一段時間內(nei) 主進線電流趨勢圖

　　圖11所示為(wei) 一段時間內(nei) 的進線回路各項參數的具體(ti) 數值，它詳細地記錄了進線回路三相電壓、電流、有功電能、無功能電能、功率因素、頻率參數。整個(ge) 廠區各回路電能匯總如圖12所示，它記錄了一段時間內(nei) 各個(ge) 回路的耗電情況，包括各回路進行櫃的總電能及分支電能。

圖11　一段時間內(nei) 的進線回路各項參數

圖12　各回路電能匯總

5 　總結
　　隨著無線通信及ZigBee技術的迅速發展，基於(yu) ZigBee的電能管理係統也將漸漸得到人們(men) 的關(guan) 注。ZigBee可以很好的解決(jue) 有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護和升級等問題，而且組網靈活性很高，在電能管理係統中應用前景非常廣泛，而且在智能電網領域內(nei) 也有著廣泛的應用前景。
　　本文介紹的ZigBee無線模塊在ZigBee無線電能係統中得到了成功的應用，整個(ge) 係統很好地對廠區中各路進線回路進行了監測，並能真實的反映廠區的負荷情況，將為(wei) 節能減排做出應有的貢獻。而為(wei) 了使ZigBee無線電能管理係統能更好地發揮它的優(you) 勢，還需不斷優(you) 化係統中的軟硬件設備。

　　文章來源於(yu) ：《電氣傳(chuan) 動自動化》2011年3期。

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