基于ZigBee雙歸屬網關的能源管理系統(tǒng)

郭秀才，尚賽花

（西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著人口的增長、經濟的發(fā)展，能源資源供應日趨緊張，清潔可再生新能源還未成功發(fā)現，社會生活仍主要依賴于傳統(tǒng)的能源，傳統(tǒng)能源危機在當前世界已經發(fā)生，節(jié)約能源已是當今世界的一種重要社會公識，如何節(jié)約能源成為一個重要課題。城市的能源消耗占整個能源消耗的70%－80%，所以城市的節(jié)能降耗顯得尤其重要。科技在不斷的更新發(fā)展，不斷的有新的更節(jié)能的產品問世，低功耗、長壽命產品成為新的標志，但目前的發(fā)展還主要集中在對單個產品的能耗降低，只有較少的公司在研究整體管理系統(tǒng)的成本能耗。寬帶碼分多址 （wideband code division multiple access，WCDMA）是一種第三代無線通訊技術，技術發(fā)展成熟，已經得到廣泛的應用，為大家熟悉。Zig－Bee中文名為紫蜂，是一種短距離、低速率、低功耗的無線網絡傳輸技術，是近些年研究比較熱門的傳輸技術，在一些工控、醫(yī)療等領域已經得到應用［1］。本文提供了一種基于WCDMA和ZigBee的綠色城市無線節(jié)能系統(tǒng)，無線方案省去了大量有線配置的成本，提供了一種新的實時監(jiān)控能源消耗、環(huán)境條件、設備運行的方法。社區(qū)是城市的組成元素，本系統(tǒng)以社區(qū)為單位進行能源管理。

1 WCDZIG系統(tǒng)介紹

WCDZIG是WCDMA和ZigBee相結合的系統(tǒng)名稱，本文采用各自無線系統(tǒng)的前3個字母組成本系統(tǒng)的名稱。WCDMA是當前最流行的無線移動網絡，ZigBee技術適合短距離低速率的數據傳輸，兩者相結合可以實現整個城市的綠色能源管理。可以省去大量的布線成本，通過二者的有機結合，成本、性能都較有優(yōu)勢。

WCDMA （寬帶碼分多址）是一個ITU （國際電信聯盟）標準，它是從碼分多址 （CDMA）演變來的，采用直接序列擴頻碼分多址 （DS－CDMA）、頻分雙工 （FDD）方式，與現在市場上通常提供的技術相比，提供更高的數據速率，支持移動、手提設備之間的語音、圖象、數據以及視頻通信。但其基站價格昂貴，一個基站都在100萬左右［2］，這極大限制了他不可以大數量的布置。ZigBee是基于IEEE 802.15.4協議，物理層和數據鏈路層協議為IEEE 802.15.4協議標準，網絡層和安全層由ZigBee聯盟制定，應用層根據用戶的需求，對其進行開發(fā)利用。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。我們利用它的自組網、低功率、低成本等特點，與WCDMA結合完成遠距離、高復雜度、高數據速率的傳送。

2 WCDZIG系統(tǒng)結構

根據兩種無線技術的特點，本系統(tǒng)采用三級接點結構，分別是ZigBee端點，ZigBee社區(qū)代理接點，和WCDZIG網關。ZigBee終端設備收到一個請求，則將請求數據包發(fā)給社區(qū)的ZigBee代理服務器，代理服務器將數據傳給WCDZIG網關，網關提取ZigBee數據包攜帶的具體信息重新封包轉化為WCDMA數據包攜帶的數據，通過WCDMA網絡，將數據傳輸給后端能源管理服務器。系統(tǒng)可分為前端社區(qū)系統(tǒng)、后端能源管理系統(tǒng)、系統(tǒng)互通模型3個主要部分。城市能源管理系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)結構

2.1 前端社區(qū)系統(tǒng)

前端社區(qū)系統(tǒng)包括在小區(qū)中分布的ZigBee插座、Zig－Bee開關、ZigBee溫度傳感器、ZigBee濕度傳感器和Zig－Bee光傳感器等，這些組件負責收集小區(qū)內的信息和執(zhí)行后端能源管理系統(tǒng)的命令。

ZigBee節(jié)點分為三類，ZigBee協調器、ZigBee路由器［3］、ZigBee端點。本系統(tǒng)根據ZigBee協議，在一個社區(qū)組建一個獨立的ZigBee網絡，其網絡PANID從0開始，根據ZigBee網絡協議在一個社區(qū)內布置一個ZigBee協調器，以ZigBee傳感器和設備控制器 （光調節(jié)器、灌溉系統(tǒng)控制器等）為端點，然后根據社區(qū)地形配置若干ZigBee路由器。在社區(qū)內采用ZigBee網格網絡布線方式，保證數據的可靠傳輸，在網格網絡下，如果ZigBee節(jié)點向協調器發(fā)送數據的路徑故障，會選擇其他路徑。ZigBee協調器是整個網絡的核心，負責社區(qū)數據的接收和處理，一個ZigBee網絡只允許有一個ZigBee協調器，所以一旦ZigBee協調器故障，整個社區(qū)系統(tǒng)就會癱瘓，所以本設計采用ZigBee協調器雙歸屬方案。ZigBee協調器雙歸屬方案如圖2所示。

圖2 ZigBee協調器雙歸屬

ZigBee雙歸屬協調器網絡數據配置完全相同，正常狀況下主協調器處于ACTIVE狀態(tài)，備協調器處于STANDBY狀態(tài)，當主協調器出現故障時，備協調器接管主協調器工作，調整狀態(tài)為ACTIVE。備協調器接管主協調器采用心跳檢測機制，備協調器每隔5S發(fā)送檢測消息包AIN＿STATE＿REQ給主協調器，主協調器收到后，給備協調器發(fā)送響應消息MAIN＿STATE＿RSP，攜帶當前主協調器的狀態(tài)信息，包括當前電源電量等信息，用于備協調器判斷何時接管主協調器，一旦超過1S，主協調器還未回響應消息，則備協調器繼續(xù)每隔5S發(fā)送狀態(tài)請求消息3次，如果3次后主協調器仍然不回響應消息，則備協調器認為主協調器故障，將自身狀態(tài)值為ACTIVE狀態(tài)，使自身配置的與主協調器完全一致的網絡配置數據生效。MAIN＿STATE＿REQ和AIN＿STATE＿REP為本系統(tǒng)設計的一個KEY＿VALUE＿PAIR，非ZigBee標準協議所規(guī)定的KEY＿VALUE＿PAIR。

2.2 后端能源管理系統(tǒng)系統(tǒng)

基于WCDMA網絡的廣泛部署［4］，ZigBee社區(qū)代理服務器收集的數據可以通過WCDMA網絡傳送到遠距離的能源管理服務器，一個城市部署一個能源管理服務器就可以了。管理服務器采用B／S架構的模式，該模式具有友好的用戶管理界面，管理員可以通過自己的用戶名和密碼登錄方便的查看、設置各個社區(qū)的能源消耗值。能源管理服務器控制策略采用當前模糊控制方法，根據社區(qū)能源傳感器收集的數據，做出控制決策。管理服務器允許用戶根據權限直接設置能源消耗量、溫度值、濕度值、光感傳感器的值，也可以按照預配置的各種傳感器和設備運行軌跡來運行。每個社區(qū)配置一個ZigBee網絡，結合當前WCDMA設施廣泛部署的便利條件，該系統(tǒng)可以很經濟的部署。

2.3 系統(tǒng)互通模型

ZigBee社區(qū)代理服務器和WCDZIG網關是整個系統(tǒng)通信的兩個關鍵組件。社區(qū)代理服務器負責收集社區(qū)內的能源消耗、溫度、濕度等信息，同時接收能源管理服務器給ZigBee插座和開關等設備下發(fā)的控制命令。WCDZIG網關負責將社區(qū)代理服務器 （ZigBee協調器）的數據［5］和 WCDMA網絡的數據做雙向轉換，起到一個不同網絡之間的一個橋接作用。WCDZIG網關一邊是ZigBee協議棧，一邊是WCDMA協議棧 （本設計采用簡化的IP化傳輸方案），TRANSFER MODULE負責兩種數據格式的轉換功能。WCDZIG網關組織框圖如圖3所示。

圖3 WCDZIG網關

WCDZIG網關數據轉換流程如圖4所示。

圖4 WCDZIG網關數據轉換

TRANSFER MODULE轉換模塊將ZigBee的數據幀和WCDMA的數據幀互相轉換［6］，這里定義ZigBee到 WCDMA網絡的轉換為上行，從WCDMA到ZigBee網絡的轉換為下行。上行流程將如下的數據幀作為RRC層的用戶消息，通過RRC層的RRC＿DATA＿TRANSFER原語將消息作為負荷進行傳輸。轉換前的幀格式如圖5所示［7］。

圖5 轉換前數據幀

轉換封裝后的幀格式如圖6所示。

圖6 轉換封裝后幀格式

其中 RLC data域為上圖中的消息［8］，Payload Type字段BIT7、8值設置為00，表示一個數據塊，BIT6、5設置為11，表示上行鏈路幀號為 （N＋26）模2715648的TDMA幀，S／P設置為0，表示RRBP域無效，USF域設置為111，指示一個時隙下使用8個無線塊，TFI域設置為0，指示不使用臨時流，PR域用于指示RLC功率級別，設置BIT8、7為00，指示采用低電平 （0－6db）。FBI標志位0，指示非最后一個RLC數據塊，BSN域每次發(fā)送時累加1。擴展比特E設置為0，表示沒有擴展。更多比特M設置為01，表示沒有擴展字節(jié)。下行幀格式轉換與上行相反，不再累述。

WCDZIG網關數據轉換部分程序8如下：

本系統(tǒng)的數據流傳輸過程如圖7所示。描述了WCDMA和ZigBee的互通數據流通過程［9］，通過該數據流通過程完成3個功能：能源管理、控制功能和設備管理。該傳輸流程的三部分應用功能命令可以無差錯的傳輸。

圖7 系統(tǒng)數據流傳輸

3 系統(tǒng)功能介紹

3.1 系統(tǒng)的設備管理 （添加／刪除設備過程）

一個ZigBee設備［10］通過向ZigBee ROUTER發(fā)送 DEVICE＿JOIN＿REQ命令發(fā)起加入網絡過程。ZigBee ROUTER將請求消息路由到ZigBee協調器。DEVICE＿JOIN＿REQ命令包含地址信息和ZigBee端點信息 （具體傳感器類型等），ZigBee協調器收到請求加入的數據包后，將請求數據包發(fā)送到WCDZIG網關，網關將數據包重組，添加網關地址信息，然后通過WCDMA基站將請求消息發(fā)送到能源管理服務器。能源管理服務器在設備管理數據庫中記錄這個設備信息，然后發(fā)送響應消息DEVICE＿JOIN＿RSP命令到WCDZIG網關，網關將數據包重組發(fā)送給ZigBee協調器，ZigBee協調器收到響應消息后完成ZigBee網絡設備加入流程，且將響應消息發(fā)回給新增的設備，新增設備收到響應消息后，ZigBee網絡層標示自身狀態(tài)為已加入網絡。反之即是刪除設備過程。

3.2 系統(tǒng)能源管理

3.2.1 數據收集流程

能源管理服務器通過輪詢的方式向各個社區(qū)內布置的ZigBee溫度、濕度、光傳感器、ZigBee插座、開關等設備實時收集數據［11］。

能源管理服務器發(fā)送ENERGY＿COLLECT＿REQ命令給指定社區(qū)的WCDZIG網關，網關收到后將請求消息轉換成ZigBee協議數據包發(fā)送給ZigBee協調器，ZigBee協調器分別發(fā)送消息給本社區(qū)內配置的ZigBee信息采集設備，ZigBee信息采集設備將各自記錄的信息以ENERGY＿CLLECT＿RSP命令響應，依次發(fā)送給ZigBee協調器，當ZigBee協調器收集完本網絡的所有設備數據后，通過ENERGY＿COLLECT＿RSP消息發(fā)送給能源管理服務器。

3.2.2 能源管理控制功能

當WCDZIG系統(tǒng)的能源管理服務器收集完一個社區(qū)的各種能源信息后，通過模糊控制方法設計出一個節(jié)能策略，模糊控制模型包括三步［12］：模糊化、模糊推理、去模糊化。模糊化是將真實的物理變量描述為自然語言的幾個術語，每一個有一個取值范圍為0或1的隸屬函數；模糊推理這一步通過IF THEN規(guī)則語句，將輸入信息和輸出結論用自然語言表述；去模糊化是將自然語言表述的結論信息轉化為真實的物理變量。能源管理系統(tǒng)通過采集數據和下達命令，使設備采用合理的運行規(guī)則來運行，從而達到節(jié)能效果。具體控制流程如圖8所示。

圖8 控制命令流程

4 系統(tǒng)性能評估

本文通過C＋＋語言設計了一個仿真模型，用于仿真本系統(tǒng)節(jié)能效果。為了評估仿真系統(tǒng)的準確性，首先比較一下仿真系統(tǒng)在未采用WCDZIG時候的能源消耗數據與真實社區(qū)消耗數據比較，以確定仿真系統(tǒng)的準確性。通過社區(qū)物業(yè)獲取了某社區(qū)某月的能源消耗統(tǒng)計數據，該社區(qū)規(guī)模中等，總計1200戶人口，占地70畝。從中可以看出小區(qū)的能源消耗主要分布在4個方面：路燈、供熱、灌溉、設備，所以仿真系統(tǒng)設計4個對象，分別模擬這四部分的能源消耗，通過仿真系統(tǒng)計算出一個月的能源仿真結果，將該結果與該社區(qū)一個月真實能源消耗比較，如圖9所示。

其中供熱系統(tǒng)占能源消耗的40%，設備和路燈占20%和25%，灌溉占15%，仿真結果與統(tǒng)計值結果基本相同，差別最大的事灌溉系統(tǒng)，差2%個點，但是灌溉所占比重相對輕些，所以可以認為仿真系統(tǒng)是準確的。

仿真系統(tǒng)采用WCDZIG系統(tǒng)后，仿真值與統(tǒng)計值比較如圖10所示。

可見采用WCDZIG系統(tǒng)后，社區(qū)路燈能源消耗減少40%，供熱消耗減少30%，灌溉能源消耗減少50%，設備能源消耗減少相對少些，也達到了20%。這個結果表明WCDZIG系統(tǒng)綜合可以降低一個中等社區(qū)能源消耗的30%，就可以較少CO230%，對當前世界節(jié)能減排具有重要的意義。

5 結束語

本系統(tǒng)通過設計WCDZIG能源管理系統(tǒng)，節(jié)約能源，應對當前能源危機，系統(tǒng)采用WCDMA和ZigBee相結合，提供了一種新的實時監(jiān)控能源消耗、環(huán)境條件、設備運行的方法。無線方案省去了大量有線配置的成本，且利用當前最流行的3G網絡WCDMA，節(jié)約了無線布網的成本。系統(tǒng)具有較好的擴展性，可以無需干預布置ZigBee設備監(jiān)控點，也可以進一步研究，增加社區(qū)安全監(jiān)控功能到該系統(tǒng)中，利用當前WCDMA的廣泛應用，可以將社區(qū)各種信息與智能終端相結合，社區(qū)內居民可以實時收到社區(qū)中各種信息。

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