基于ZigBee網絡與5G邊緣計算的能源管理垂直應用系統

尚賽花

（西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710054）

隨著經濟的發展，人口的增長，不可再生能源供應日趨緊張，清潔可再生新能源還未成功發現，傳統不可再生能源危機成為當代人面臨的主要問題，如何通過技術手段節約能源是當前技術研究的一個熱點。社會生活仍主要依賴于傳統的能源，社會整體的能源消耗中60%以上在城市消耗，對城市的能源進行管理，利用無線技術與模式識別進行智能節能是一個重要的研究方向。本文提供了一種結合5G邊緣計算和ZigBee社區網絡的綠色城市無線智能能源管理APP系統。城市是由一個個的社區組成的，本系統以社區為單位設計了智能能源管理系統。

1 邊緣計算與ZigBee系統介紹

邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，邊緣計算是讓物聯網落地的根本。邊緣計算的發展將經歷互連、智能與自動自主3個階段。在各個階段的發展進程中，傳感器數量的增加、網絡帶寬瓶頸的長期存在，以及系統自主化程度的提升對于邊緣計算的需求將逐步凸顯，這其中存在著大量的計算、通信和存儲的發展機遇，同時也蘊含對安全性和可管理性的需求。

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。ZigBee技術適合短距離低速率的數據傳輸，邊緣計算技術可以基于ZigBee采集數據實現能源數據的智能化管理，兩者相結合可以實現城市能源系統的物聯網[1]。

2 智能能源管理系統構成

本系統包含ZigBee端點、ZigBee社區代理接點、部署在邊緣計算平臺的智能能源管理APP 3部分。ZigBee能源采集終端設備將溫度、濕度、熱量、電力等傳感器數據包發給社區的ZigBee代理服務器，代理服務器通過5G終端接入5G網絡，通過基站將數據上傳至5G網絡邊緣計算MEC平臺，MEC平臺通過部署的能源管理APP進行能源數據智能計算，算法采用模糊控制算法。系統分為前端ZigBee社區系統、5G傳輸網、邊緣計算（部署能源管理系統APP）3個主要部分，本文重點為前端ZigBee社區網絡和能源管理系統APP進行介紹。城市能源管理APP結構如圖1所示。

圖1 MEC智能能源管理系統結構

2.1 終端數據采集系統

終端數據采集系統涵蓋能源消耗的各個節點，比如插座、溫度傳感器、電力傳感器、濕度傳感器、光傳感器等，這些傳感器改造為ZigBee節點，通過ZigBee網絡進行數據收集傳輸，為后端智能管理APP提供數據輸入。

本系統根據ZigBee協議，ZIGBBE節點分為ZigBee協調器、ZigBee路由器[2]、ZigBee端點。在單個社區中搭建獨立的ZigBee自適應網絡，依據ZigBee網絡編號規則，網絡PANID從0000開始，為了減少網絡復雜度，PANID設置小于1 000，組網方式采用網格網絡布線的形式，這種組網的優點是網絡可靠性較好，可靠性通過故障路徑重選擇來實現，例如ZigBee節點向協調器發送數據的路徑故障，會自動重新計算新的路徑，找一條完好的路徑完成數據傳輸。ZigBee中心協調器負責社區數據的接收和中轉，協調器是社區ZigBee網絡的核心節點，一個ZigBee網絡依據網絡協議只允許部署一個協調器，為了保障協調器的可靠性，本文采用ZigBee協調器主備方案，確保數據采集的可靠性。ZigBee協調器主備方案如圖2所示。

圖2 協調器主備示意

ZigBee主備方案設計如下：主備協調器初始狀態保持相同網絡配置，初始狀態主協調器始終設置為ACTIVE工作態，備協調器設置為STANDBY伺服態，主備切換的條件是主協調器本身異常，如硬件或軟件問題，導致無法繼續發送數據時[3]，備協調器倒換為主協調器，設置自身狀態為ACTIVE工作態。主備協調器互相倒換的機制是心跳檢測，具體過程為備協調器周期性（周期時長可配置，默認為5 s）發送心跳信息包MAIN_STATE_REQ_HEARTBEAT給主協調器，主協調器接收到備協調器的心跳消息后，給備協調器發送MAIN_STATE_RSP_HEARTBEAT進行響應，心跳消息中攜帶的信息包括電源電量、軟硬件運行時間、心跳碼等信息，假如主協調器超時（超過時間可以修改設置默認1 s）未回響應消息或者消息中攜帶了接管命令碼，則備協調器立即啟動接管流程，備協調器根據主協調器響應消息，設置接管原因，比如主協調器發生軟硬件故障、主協調器電池電量不足等原因，且設置自身為工作態，即狀態值為ACTIVE，備協調器切換為主協調器。MAIN_STATE_REQ_HEARTBEAT和AIN_STATE_REP_HEARTBEAT是本系統自定義的一對KEY_VALUE_PAIR，非標準協議默認的消息對[4-9]。

2.1.1 系統的設備管理（添加/刪除設備過程）

一個ZigBee終端設備（溫/濕度傳感器、民用電/氣度量表）[10]通過往ZigBee路由器發送DEVICE_JOIN_REQ命令，進行終端設備初始入網流程。ZigBee路由器根據記錄的PANID，尋找路徑將請求消息發送給ZigBee主協調器。設置注冊命令DEVICE_JOIN_REQ會帶有ZigBee端點信息（具體傳感器類型、地址信息等），這些信息是用于智能管理APP進行數據來源劃分的依據。ZigBee協調器這里作為5G網絡的網關使用，協調器將數據包進行格式轉換，轉換包括添加網關地址信息，添加原始請求消息的內容。網關通過5G協議發送給邊緣計算側的智能能源管理APP。智能能源管理APP在設備管理數據庫中添加這個設備信息。

2.1.2 數據收集流程

智能能源管理APP周期性地向社區終端側的各種能源傳感器收集信息，包括溫度、濕度、光傳感器、電量等信息。收集信息流如下：智能能源管理APP周期性通過ENERGY_COLLECT_REQ命令進行數據收集，第一跳節點是5G網關，也即網絡主協調器，主協調器將數據包轉換為ZigBee網絡消息格式，且通過廣播方式發送該消息給注冊到本網絡的終端ZigBee設備，終端傳感器設備將數據去噪后反饋給主協調器，反饋命令是ENERGY_CLLECT_RSP，主協調器收到傳感器設備后，進行數據緩存，待所有傳感器數據收集完成后，組合打包發送給智能能源管理APP，以減少5G網絡消息數據，節約網絡資源。智能能源管理APP在MEC側對傳感器數據進行初始入庫，待模糊控制算法查詢計算。

2.2 后端能源管理APP

基于5G邊緣計算設備的部署[4]，ZigBee社區代理服務器收集的數據可以通過5G網絡傳送到MEC計算平臺，一個ZigBee網絡部署一個能源管理APP就可以了，也可以多個ZigBee網絡部署到一個APP。智能能源管理APP采用tomcat架構部署，該模式可以通過瀏覽器直接登錄，管理員可以通過自己的用戶名和密碼登錄，方便地查看、設置各個社區的能源消耗值。能源管理APP算法采用FUZZY-CONTROL方法，獲取半小時周期內傳感器上傳的數據，作為FUZZYCONTROL三級神經網絡的輸入，以便智能APP做出控制決策。MEC能源管理APP示意如圖3所示。

智能能源管理APP周期性對一個社區的ZigBee網絡數據進行計算，算法采用模糊控制算法，模糊控制算法采用第一步對原始數據進行模糊化；第二步設置模糊推理邏輯，比如設置在行人較少的路段，路燈自動熄滅等邏輯；第三步去模糊化，具體包括將實際的溫度/濕度等物理變量映射到可理解的自然語言的若干個專用術語，每個物理變量有一個隸屬函數，該隸屬函數的函數值取值范圍為0～1，通過IF THEN自然語言預計規則，將輸入的能源信息映射到輸出結論，這些映射全部用自然語言表述，即將邏輯數據與自然語言之間建立一個關系集，關系集符合能源節約的訴求；第四步是去模糊化，也就是將自然語言重新轉為為機器可以理解的二進制數字，用于網絡執行自然語言的控制結論。能源管理APP通過采集數據、對數據進行模糊計算、下發控制規則，保證終端設備按照既定的算法運行，以使設備達到最佳節能狀態[11-13]。具體控制流程如圖4所示。

圖3 智能能源管理APP

圖4 控制命令流程

3 系統節能效果評估

本文采用MATLAB設計了一個仿真模型，進行系統算法節能效果評估。采樣點為總計1 500戶人口，占地6.7公頃的小區，對該小區數據進行了仿真分析，數據為該小區某年某月一個月的能源消耗情況。仿真系統采用邊緣計算智能能源控制算法，社區的能源消耗主要分布在4個方面：灌溉、設備、路燈、供熱，所以對這4個物理變量進行模糊化、控制算法規則設置和去模糊化，MATLAB仿真值與統計值比較如圖5所示。

社區采用智能能源管理APP[14-15]進行能源控制后，與之前傳統能源消耗相比較情況為：路燈消耗節約39%，供熱消耗節約31%，灌溉消耗節約51.9%，設備消耗節能19%。仿真結果說明采用ZigBee/5G邊緣計算系統后能夠有效地進行節能，綜合節能達到30%以上，建議全國推廣。

4 結語

本系統通過采用新一代網絡技術節約能源，即5G邊緣計算技術的一種垂直應用場景，MEC與社區ZigBee網絡相結合應對當前能源危機，節能效果顯著，為5G的應用方向以及節能措施都進行了有效的實驗和探索，后續可以進一步研究利用5G網絡建設平安社區。

圖5 系統節能效果

[參考文獻]

[1]陳明，繆慶育，劉愔.5G移動無線通信技術[M].北京：人民郵電出版社，2017.

[2]霍爾馬，托斯卡拉.WCDMA 技術與系統設計[M].2版.付景興，馬敏，陳澤強，等譯.北京：機械工業出版社，2005.

[3]BOB HEILE.ZigBee wireless networks[M].Massachusetts：Scientific Research Publishing，2006.

[4]SHAHIN F.ZigBee wireless networks and transceivers [M].Massachusetts：Scientific Research Publishing，2007.

[5]斯特朗斯特魯普.C++程序設計語言[M].裘宗燕，譯.北京：機械工業出版社，2009.

[6]本賈尼·斯特勞斯特魯普.C++程序設計原理與實踐[M].任明明，王剛，李忠偉，譯.北京：機械工業出版社，2010.

[7]ZigBee Alliance.ZigBee document 053473r00, ZigBee specification [EB/OL].（2008-01-15） [2018-04-09].http://www.oalib.com/references/14375712.

[8]蔣挺.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

[9]瞿雷.ZigBee技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[10]王志良.物聯網：現在與未來[M].北京：機械工業出版社，2010.

[11]黨安明.傳感器與檢測技術[M].北京：北京大學出版社，2011.

[12]李曉瑩.傳感器與測試技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[13]郭秀才.監測監控系統原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[14]胡玉玲.模糊控制器設計理論與應用[M].北京：機械工業出版社，2010.

[15]湯兵勇.模糊控制理論與應用技術[M].北京：清華大學出版社，2002.