ZigBee技術在用戶端配電系統(tǒng)中的設計與應用

引言

隨著全球范圍內(nèi)智能電網(wǎng)建設逐步展開控制工程網(wǎng)版權所有，作為智能電網(wǎng)用戶的配電系統(tǒng)智能化管理也越來越重要。目前用戶端配電管理系統(tǒng)都會考慮采用多種通信技術混合組網(wǎng)的方式，以克服現(xiàn)有技術固有的一些不足，其中工業(yè)以太網(wǎng)、GPRS及CDMA等作為遠程通信網(wǎng)絡；無線短距離通信、載波等作為短程通信網(wǎng)絡控制工程網(wǎng)版權所有，即最后1公里內(nèi)的通信方式。ZigBee技術作為一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，是一種很好的短距離通信方式。它有很多優(yōu)點CONTROL ENGINEERING China版權所有，譬如低功耗、高可靠性，以及自組網(wǎng)功能等等，使它能在短距離通信方面有著很大的發(fā)展空間。因此，基于ZigBee技術的無線自動抄表系統(tǒng)成為了一個熱點。本文主要介紹一款ZigBee技術無線模塊及基于ZigBee無線網(wǎng)絡在工廠配電管理系統(tǒng)中的應用。

1. ZigBee技術的特點

ZigBee無線技術的特點是低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、短距離、通信可靠性高。它的網(wǎng)絡拓撲主要支持3種自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結構(Star)、網(wǎng)狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree)，特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。這使ZigBee技術在低耗電、低成本、低數(shù)據(jù)速率、可靠性強的無線抄表系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用。

目前，電能管理系統(tǒng)中運用的另外一些通信方式如低壓電力線載波（PLC），RS485有線通訊都存在各種各樣的弊端。表1列出了ZigBee與其他通信技術的比較，從表1中可以看出ZigBee技術優(yōu)勢比較明顯。ZigBee技術是電能管理系統(tǒng)中一種非常理想的通信方式。它適用于一些短距離無線電能管理系統(tǒng)通信方式的實現(xiàn)手段，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線電能管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。

表1 ZIGBEE與其他信技術的比較

2. ZigBee無線模塊的設計

ZigBee無線模塊是ZigBee無線配電管理系統(tǒng)中的主要組成部分，它在整個網(wǎng)絡中擔當通信的銜接作用，它負責把網(wǎng)絡中所有電表的通信連接起來，方便各個電表把數(shù)據(jù)上傳給主站（即電能管理中心）。

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、配電柜中。其外觀側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 ZigBee模塊側(cè)視圖

ZigBee無線模塊分為兩類，其中ZigBee信號轉(zhuǎn)RS485信號的模塊稱為ZigBee采集模塊，它負責和下面電表之間的通信；而ZigBee信號轉(zhuǎn)以太網(wǎng)信號的模塊稱為ZigBee網(wǎng)絡終端，它是整個ZigBee網(wǎng)絡的組網(wǎng)發(fā)起者，即ZigBee網(wǎng)絡中的中心節(jié)點。ZigBee無線模塊的技術參數(shù)如下：1）采用AC220V輸入；2）工作頻率范圍為2.41GHz~2.48GHz，RF信道為16，接收靈敏度為-94dbm，發(fā)射功率為-27dbm~25dbm；3）采用Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)，實現(xiàn)自組網(wǎng)的功能，尋址方式采用IEEE802.15.4/ZigBee標準地址，同一個中的網(wǎng)絡容量最大為255個；4）可以配置無線網(wǎng)絡的ID、網(wǎng)絡通道，擴充網(wǎng)絡的容量。

ZigBee無線模塊的原理框圖如圖2所示，它主要由開關電源部分、ZigBee無線傳輸部分及接口轉(zhuǎn)換部分組成。開關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(zhuǎn)換成直流電源；無線傳輸部分主要采用MC13213芯片，它是freescale第二代ZigBee芯片，內(nèi)部帶有MCU芯片和無線收發(fā)器；功率放大器采用SKY65336，它最大可以支持20dbm的功率放大功能。