基于ZIGBEE无线网状网通信技术的大楼能耗控制系统

1、基于ZIGBEE无线网状网通信技术的大楼能耗控制系统项目概述：一、项目背景： 随着我国经济的发展，国家机关办公建筑和大型公共建筑高耗能的问题日益突出。据统计，国家机关办公建筑和大型公共建筑年耗电量约占全国城镇总耗电量的22%，每平方米年耗电量是普通居民住宅的1020倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.52倍，做好国家机关办公建筑和大型公共建筑的节能管理工作，对实现“十一五”建筑节能规划目标具有重要意义。为贯彻落实国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知（国发200715号）、关于加强大型公共建筑工程建设管理的若干意见（建质20071号）文件精神，全面推进国家机关办公建筑和大型公共建筑节能

2、管理工作，今明两年工作重点是在国家机关办公建筑和大型公共建筑比较集中的省市，建立国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系，开展能耗统计、能源审计、能效公示等工作。在此基础上，研究制定用能标准、能耗定额和超定额加价、节能服务等制度，并逐步在全国范围内推开。在国家的宏观背景下，我司开发的用电分项计量装置，不同于以往的电能计量系统，它并不是用于电费的结算，而是用于电能消耗的管理工作。现有办公建筑的电能计量系统仅仅局限于实现电费结算功能，通常由电力公司安装极少量的电能表，作为收取电费的依据，建筑物的管理者无从得知楼宇各个部位的电能消耗数据，信息的缺失使得所有的节能措施缺乏针对性。而用电分项计量装置一

3、般将建筑用电按照功能进行项目划分，例如：照明系统用电、空调和取暖用电、综合服务（电梯、厨房、电开水器等）用电等，然后分别对这些项目的用电情况进行实时监测，同时将检测数据传送到控制中心的数据库，管理人员可通过用电分项计量装置进行整个建筑的用电管理工作，最终达到节能的目的。二、项目技术方案： 我司开发的用电分项计量装置采用了先进的ZIGBEE传输技术，利用了ZIGBEE独有的蜂窝状传输技术将终端采集点采集到的电能数据传输到监测平台。实现了低功耗、低成本、低速率的近程无线网络通信。下图为ZIGBEE的网络拓扑结构及现场应用： （图一）图二是ZIGBEE无线用电分项计量系统示意图： （图二）在用电分项

4、计量装置中，它的中心是围绕节能，而节能工作的首要前提是发现用能问题，大型公建的能耗构成较复杂，建立大型公共建筑能耗的运行管理公共平台，集中实时采集各座大型公建的分项用能数据，可便于管理者掌握大型公建的能耗数据及构成，为节能工作提供基础数据。本平台包括用电分项计量采集系统和数据分析管理系统，在各座大型公建内对各类不同的用电系统分别安装ZIGBEE节点，通过宽带网把用能数据实时传输到一个城市的建筑用能管理中心，从而对各座建筑的各类用能情况进行纵向、横向的分析、比较、管理和考核。三、用电分项计量装置安装技术说明：本项目适用于各级国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗动态监测系统，不适用于任何用于贸易结算

5、和计费的电能计量系统。 这条是用电分项计量设计安装的重点，它明确指出用电分项计量不适用于贸易结算和计费系统。一般办公建筑物及大型公共建筑均设置变配电室，大多数为10KV高压引入经变压器转换为380V/220V低压供电系统，为建筑内用电设备配电。大型公建一般变压器容量均超过400KVA，在供电公司属于高供高量，所以用电收费计量表设在10KV侧，也有些单位需要对特殊区域收取电费而在低压侧设置分表，这些都属于贸易结算和计费。而我们的用电分项计量系统的表计均设置在低压侧且与结算和计费无关，因此不会与供电公司和内部贸易结算产生冲突。四、项目的关键技术及技术难点：总体上讲本项目有二个技术关键点及难点：1）

6、 无线无线网状网的实现：无线传感器网是当下的一个技术的热点跟难点。尤其是要组成无线网状网。在技术上来讲是有很多的难点跟关键点的。本公司采用的是全球最新的ZIGBEE技术作为解决这个问题的方案。ZIGBEE技术是在IEEE在2006制定的的协议的基础上发展起来的新兴的无线网状网技术。代表了当下无线小数据网状网技术的最高点。本公司的ZIGBEE无线网状网技术的协议是全部自己公司研发的。拥有全部的知识产权。具体的攻克的技术难点有：（1） 实现2.4G 无线小功率模块的RF电路研发。RF 电路研发一直上国内的研发的一个弱项。我实现了再300MW的发射功率下实现3KM 的传输可视距离。这在国内来讲已经是

7、比较超前了。（2） 实现了300个节点的ZIGBEE无线网状网的软件协议开发。这是基于无线ZIGBEE协议的国内能查到的唯一一家。基本跟国际上同步。（国际上有2-3家在研发这个协议。一般的用户是采用他们的协议）（3） 实现了无线分项电表的研发： 在研发了ZIGBEE无线模块的基础上研发了单相；三相轨道电表的研发。采用了国内领先的无线MODBUS协议来完成抄表。同时实现了0.5级的计量精度。（4）开发了基于无线ZIGBEE技术的温度湿度自动采集模块。最大的技术亮点是可以用电池供电下实现1年的低功耗运行。精度为0.5度。本项目所依据的技术原理是无线ZIGBEE技术。下面先简单的介绍一下ZIGBEE

8、技术一）什么是ZIGBEE技术：zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。 国际上，工作组及zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，工作组主要负责制定zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的zigbee开发平台。 ZigBee标准基于协议栈而

9、建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(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。 图一 ZIGBEE星型网络结构星型网络结构特点 支持点对点、点对多点通信 中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备 所有数据经过中心节点适合圆形分散、距离较近的设备联网图二 ZIGBEE网状网络结构MESH网状网络结构特点 系统采用多跳式路由通信 网络容量很大 可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构 MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围

10、之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。Zigbee技术特点设备省电 zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间； 通信可靠 zigbee采用了CSMACA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；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息； 网络的自组织、自愈能力强zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关

11、系，组成结构化的网络； zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 具备自组织、自愈能力的无线通信网络才是自动抄表系统最理想的通信方式。成本低廉 设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本； Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。网络容量大 一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络； 数据安全 ZigBee提供了数据完整

12、性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 项目国内外研究开发现状：包括国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析。ZIGBEE技术是2007年IEEE定义的一个新的标准。在2007年IEEE制定了ZIGBEE标准后。一系列的芯片厂商推出了一系列ZIGBEE芯片。在这些芯片的基础上2008到2009 年一些公司推出了基于ZIGBEE技术的产品。整体来讲ZIGBEE是一个新兴的无线标准。国内外的公司都处在同一起跑线上。国内跟国外的差距比较小。基本上是同步的。本公司是国内最早开始研发ZIGBEE技术的厂商。处在国内的前3名内。二）什么是基于ZIGBEE无线网

13、状网通信技术的大楼能耗控制系统：  我司开发的用电分项计量装置采用了先进的ZIGBEE传输技术，利用了ZIGBEE独用的蜂窝状传输技术将终端采集点采集到的电能数据传输到监测平台。实现了低功耗、低成本、低速率的近程无线网络通信。下图为大楼能耗控制系统的示意图：五、项目主要内容及创新点：（1）项目主要内容及技术路线：描述申报项目研究开发的内容及涉及的关键技术、主要解决的关键问题；技术路线描述包括工艺流程图、产品结构图、框架图等。一：技术特点：结合zigbee技术特点和技术优势，采用zigbee技术来实现大楼的能耗自动采集及控制是一个非常理想的解决方案。 在实际应用中，我们选择了将zigb

14、ee技术与GPRS/CDMA结合起来，根据用户的不同分布，来灵活地构建抄表的无线网络。l 对于每个抄表终端而言，要求超低功耗、低成本（包括设备成本、运行成本），并且数据的传输速率不高，对于居民小区的抄表，抄表终端通常分布较密集、距离较近，zigbee技术可以很好地满足这些要求； l 终端采集的数据需要送到国家有关部门的能源监控中心，这可以通过GPRS/CDMA网络来实现，它无距离限制，且无需网络规划、几乎不需要维护； l 所构建的zigbee网络既可以是星形拓扑，也可以是网状网络拓扑，不论是哪种拓扑结构的zigbee网络，根据实际的组网需要，设计合理的网络结构。 二：项目研究开发的内容及涉及的

15、关键技术、主要解决的关键问题：1） 无线ZIGBEE软件实现：下面为ZIGBEE软件协议栈示意图：ZigBee协议栈分为（1） 物理层（PHY Layer）规定了无线通信上的物理规范：包括无线频点；调制方式。发射功率。接收灵敏度。等等。（2） 媒体存取层（Media Access Control Layer；MAC Layer）规定了软件访问硬件的具体参数及方式。（3） 网络层（Network Layer）、安全层（Security Layer）、规定了无线网状网路由的具体实现方法（4） 应用层（Application Layer）、以及各种应用产品的资料（Profile）针对不通的应用有不同

16、的PROFILE有实现。因为本协议比较复杂。在这里没有准备具体展开介绍。如有兴趣。可以参考我们公司提供的附件资料。2） ZIGBEE无线模块硬件的实现：无线ZIGBEE模块的框图： 主要的技术难点：1）低功耗：平均功耗实现40MA/3.3V 2）2.4G 无线微波电路设计：最大发射功率为25DBM；实现可视距离3KM可靠传输。（99.5%成功率） 3）特有接收低噪声放大器技术(LNA).由原来的接收灵敏度-93DBM增加打-112DBM.3） 无线轨道电表实现:无线轨道电表框图：主要的技术难点：1）支持无线MODBUS协议 2）采集电路精度为0.5级 3）特有轨道安装方式。方便分项计量项目安装

17、。 4）微型开关电源，缩小产品体积。降低产品功耗4） 无线温湿度产品模块实现：无线温湿度模块框图：主要的技术难点及特点：1）支持无线自动上报协议，节省功耗。 2）温度精度为0.5°；湿度为5%。 3）特有轨道安装方式。方便分项计量项目安装。 4）特有的低功耗技术，降低产品功耗。2个5号电池可以工作1年。（2）项目创新点： 无线ZIGBEE传输系统的创新点：1）MESH 网状网技术：MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。2）物理层RF 通信链接§ 直序扩频采用高处理增益

18、§ 明晰的信道检测§ 对干扰能量进行检测§ 采用跳频技术Frequency agility3）无线协议特点§ 基于CRC的误码检测/校正§ 采取了避免冲突的策略CSMA/CA§ 为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙§ 发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发§ 保持数据包的及时传输Packet data freshness1） 通信可靠机制 § zigbee采用了CSMACA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；明晰的信道检测

19、7; MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 2） 网络的自组织、自愈能力强 :§ zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络； § zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 6)无线采集电量及温度湿度数据。不用布线。通信稳定可靠。大楼能耗监控系统创新点及特点：1） 可以实现对电能的分项计量及分时复费率计量，不仅能实时显示用电状况，还具有网络通讯功能，可以与计算机等组成电力监控与电能管理系统。实现对采集数据的分析、处理，并生成各种电能报表、分析曲线、图形等，便于电能的远程抄表以及分析、研究，为智能建筑的节能技术提供参考。2） 电能分项计量及能耗管理系统采用三层网络结构，站控