IGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)概述

    隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù)，稱之為IGBEE，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、遠程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

    由于IGBEE的*特性，基于IGBEE技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(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。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個的解決方案。IGBEE與其他“ui后一公里”技術(shù)比較見表1。

表1. IGBEE與其他“ui后一公里”技術(shù)的比較

IGBEE技術(shù)特點

    IGBEE協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，從2004年發(fā)布IGBEE V1．0到ui新的增加了IGBEE-PRO擴展指令集的IGBEE2006版本，IGBEE功能不斷強大。IGBEE具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能（見圖2），它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)（Star）、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）和樹型結(jié)構(gòu)（Cluster Tree），特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術(shù)相比較，IGBEE的特點主要有：

圖2  IGBEE網(wǎng)絡(luò)拓撲分類

 （1）工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD（Reduced Function Device，簡化功能器件）采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。

 （2）低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。

 （3）低速率、短延時。IGBEE的ui大通信速率達到250 kb／s（工作在2．4 GH時），滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。IGBEE的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。

 （4）近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。IGBEE可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，ui多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。

 （5）高可靠性和高安全性。IGBEE的媒體接入控制層（Medium Access Control，MAC）采用CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。IGBEE還提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AdvancedEncryption Standard，AES）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

 （6）免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，分別為2．4 GH（）、915 MH（美國）和868 MH（歐洲）。

IGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

    圖3為網(wǎng)絡(luò)拓撲圖，整個網(wǎng)絡(luò)主要由四部分組成：計量儀表、本地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)、遠方通信網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)交換設(shè)備。整個網(wǎng)絡(luò)由計量儀表、IGBEE采集器（負責(zé)與儀表之間的通信）、IGBEE網(wǎng)絡(luò)終端（負責(zé)與上層通訊網(wǎng)絡(luò)的對接，譬如工業(yè)以太網(wǎng)等）、上層通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)交換存儲設(shè)備。IGBEE無線通信管理系統(tǒng)一般采用的組網(wǎng)方式是MESH的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，MESH網(wǎng)絡(luò)能更好得保證通信質(zhì)量，保證單一節(jié)點出現(xiàn)故障時不影響其他節(jié)點通信狀態(tài)。

圖3無線網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

 解決方案

    安科瑞為生產(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設(shè)計的針對生產(chǎn)用電進行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于IGBEE（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡(luò)的電能管理系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的組網(wǎng)采用IGBEE與RS485混合組網(wǎng)模式。

    整個廠區(qū)共設(shè)8個集中監(jiān)測點，分別位于配電間、層配生產(chǎn)動力柜、空調(diào)動力柜、排風(fēng)機控制箱及位于配電末端的幾個照明控制箱。每個監(jiān)測點各設(shè)置無線IGBEE采集器一只，通過RS485總線對位于該監(jiān)測點的電能計量儀表進行通訊組網(wǎng)；監(jiān)控中心設(shè)置IGBEE網(wǎng)絡(luò)終端一只，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及考慮通訊的可靠性，于適當(dāng)位置設(shè)置數(shù)只IGBEE中繼路由器。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意如圖4

圖4 解決方案組網(wǎng)示意圖