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物联网技术在能源管理系统中的应用

导读: 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。

 

0  引言
  
  
无所不在的物联网通信时代即将来临,物联网被专家及多个国家认为是继互联网浪潮之后的又一次科技革命。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当下最热门最具竞争性的产业。传统的能源管理系统一般需要布设现场总线,然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户显示界面,当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器,而如果需要实现跨地区的远程管理,更是需要在互联网上架设一台专门的服务器,这样,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,将物联网技术引入到远程能源管理系统中来,底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备,上层使用互联网技术服务,消除现场级布线的烦恼,可以消除网络硬件的投入及日常的IT维护,同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理。由于本文所述的能源管理系统采用安科瑞(Acrel)公司提供的平台及解决方案,因此,在系统具体实现的设计均按照Acrel平台的要求,但这并不影响借鉴和参考此平台和解决方案来讨论物联网的构架、问题,及前景。

1 什么是物联网
  
  1.1 物联网的定义
  
   目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义,只是在大体的技术框架上做了一个概念性的表述:通过射频识别(RFID)、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就字面意义上理解就是“物物相连的互联网”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通讯。从物联网本质上看,物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升,将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用,使人与物智慧对话,创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面,是一种聚合性、系统性的创新应用与发展,也因此才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面:一是互联网特征,即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络;二是识别与通信特征,即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信的功能;三是智能化特征,即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。

  1.2 物联网的组成
  
   物联网的结构主要由三大块组成:
  
   一、包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备,及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别,以及传感网络,组成了物联网的底层基础。
  
   二、将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术:如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi,甚至卫星通讯等,最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力,也都归属在这一层。

  三、根据客户自身需求,利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。


   
   1.3 ZigBee技术的特点
   
  ZigBee协议基于IEEE 802.15.4标准,从2004年发布ZigBee V1.0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4KB代码。
   
  (3)低速率、短延时。ZigBee的最大通信速率达到250kb/s(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3~10S、Wi-Fi需3S。
   
  (4)近距离,高容量。传输范围一般介于10~100 m,在增加RF发射功率后,亦可增加到1~3km。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(Medium 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)。

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