基于ZigBee雙歸屬網(wǎng)關(guān)的能源管理系統(tǒng)

郭秀才，尚賽花

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安710054）

0 引 言

隨著人口的增長、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源資源供應(yīng)日趨緊張，清潔可再生新能源還未成功發(fā)現(xiàn)，社會(huì)生活仍主要依賴于傳統(tǒng)的能源，傳統(tǒng)能源危機(jī)在當(dāng)前世界已經(jīng)發(fā)生，節(jié)約能源已是當(dāng)今世界的一種重要社會(huì)公識(shí)，如何節(jié)約能源成為一個(gè)重要課題。城市的能源消耗占整個(gè)能源消耗的70%－80%，所以城市的節(jié)能降耗顯得尤其重要?？萍荚诓粩嗟母掳l(fā)展，不斷的有新的更節(jié)能的產(chǎn)品問世，低功耗、長壽命產(chǎn)品成為新的標(biāo)志，但目前的發(fā)展還主要集中在對(duì)單個(gè)產(chǎn)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(shù)，技術(shù)發(fā)展成熟，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，是近些年研究比較熱門的傳輸技術(shù)，在一些工控、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)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(shí)時(shí)監(jiān)控能源消耗、環(huán)境條件、設(shè)備運(yùn)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(jìn)行能源管理。

1 WCDZIG系統(tǒng)介紹

WCDZIG是WCDMA和ZigBee相結(jié)合的系統(tǒng)名稱，本文采用各自無線系統(tǒng)的前3個(gè)字母組成本系統(tǒng)的名稱。WCDMA是當(dāng)前最流行的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，ZigBee技術(shù)適合短距離低速率的數(shù)據(jù)傳輸，兩者相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市的綠色能源管理?？梢允∪ゴ罅康牟季€成本，通過二者的有機(jī)結(jié)合，成本、性能都較有優(yōu)勢(shì)。

WCDMA （寬帶碼分多址）是一個(gè)ITU （國際電信聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)，它是從碼分多址 （CDMA）演變來的，采用直接序列擴(kuò)頻碼分多址 （DS－CDMA）、頻分雙工 （FDD）方式，與現(xiàn)在市場(chǎng)上通常提供的技術(shù)相比，提供更高的數(shù)據(jù)速率，支持移動(dòng)、手提設(shè)備之間的語音、圖象、數(shù)據(jù)以及視頻通信。但其基站價(jià)格昂貴，一個(gè)基站都在100萬左右［2］，這極大限制了他不可以大數(shù)量的布置。ZigBee是基于IEEE 802.15.4協(xié)議，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層根據(jù)用戶的需求，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。我們利用它的自組網(wǎng)、低功率、低成本等特點(diǎn)，與WCDMA結(jié)合完成遠(yuǎn)距離、高復(fù)雜度、高數(shù)據(jù)速率的傳送。

2 WCDZIG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)兩種無線技術(shù)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用三級(jí)接點(diǎn)結(jié)構(gòu)，分別是ZigBee端點(diǎn)，ZigBee社區(qū)代理接點(diǎn)，和WCDZIG網(wǎng)關(guān)。ZigBee終端設(shè)備收到一個(gè)請(qǐng)求，則將請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)給社區(qū)的ZigBee代理服務(wù)器，代理服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳給WCDZIG網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)提取ZigBee數(shù)據(jù)包攜帶的具體信息重新封包轉(zhuǎn)化為WCDMA數(shù)據(jù)包攜帶的數(shù)據(jù)，通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳輸給后端能源管理服務(wù)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(gè)主要部分。城市能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(guān)、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(fù)責(zé)收集小區(qū)內(nèi)的信息和執(zhí)行后端能源管理系統(tǒng)的命令。

ZigBee節(jié)點(diǎn)分為三類，ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器［3］、ZigBee端點(diǎn)。本系統(tǒng)根據(jù)ZigBee協(xié)議，在一個(gè)社區(qū)組建一個(gè)獨(dú)立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)PANID從0開始，根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在一個(gè)社區(qū)內(nèi)布置一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，以ZigBee傳感器和設(shè)備控制器 （光調(diào)節(jié)器、灌溉系統(tǒng)控制器等）為端點(diǎn)，然后根據(jù)社區(qū)地形配置若干ZigBee路由器。在社區(qū)內(nèi)采用ZigBee網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)布線方式，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)下，如果ZigBee節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的路徑故障，會(huì)選擇其他路徑。ZigBee協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)社區(qū)數(shù)據(jù)的接收和處理，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，所以一旦ZigBee協(xié)調(diào)器故障，整個(gè)社區(qū)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，所以本設(shè)計(jì)采用ZigBee協(xié)調(diào)器雙歸屬方案。ZigBee協(xié)調(diào)器雙歸屬方案如圖2所示。

圖2 ZigBee協(xié)調(diào)器雙歸屬

ZigBee雙歸屬協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)配置完全相同，正常狀況下主協(xié)調(diào)器處于ACTIVE狀態(tài)，備協(xié)調(diào)器處于STANDBY狀態(tài)，當(dāng)主協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障時(shí)，備協(xié)調(diào)器接管主協(xié)調(diào)器工作，調(diào)整狀態(tài)為ACTIVE。備協(xié)調(diào)器接管主協(xié)調(diào)器采用心跳檢測(cè)機(jī)制，備協(xié)調(diào)器每隔5S發(fā)送檢測(cè)消息包AIN＿STATE＿REQ給主協(xié)調(diào)器，主協(xié)調(diào)器收到后，給備協(xié)調(diào)器發(fā)送響應(yīng)消息MAIN＿STATE＿RSP，攜帶當(dāng)前主協(xié)調(diào)器的狀態(tài)信息，包括當(dāng)前電源電量等信息，用于備協(xié)調(diào)器判斷何時(shí)接管主協(xié)調(diào)器，一旦超過1S，主協(xié)調(diào)器還未回響應(yīng)消息，則備協(xié)調(diào)器繼續(xù)每隔5S發(fā)送狀態(tài)請(qǐng)求消息3次，如果3次后主協(xié)調(diào)器仍然不回響應(yīng)消息，則備協(xié)調(diào)器認(rèn)為主協(xié)調(diào)器故障，將自身狀態(tài)值為ACTIVE狀態(tài)，使自身配置的與主協(xié)調(diào)器完全一致的網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)生效。MAIN＿STATE＿REQ和AIN＿STATE＿REP為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)KEY＿VALUE＿PAIR，非ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)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(wǎng)絡(luò)的廣泛部署［4］，ZigBee社區(qū)代理服務(wù)器收集的數(shù)據(jù)可以通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)距離的能源管理服務(wù)器，一個(gè)城市部署一個(gè)能源管理服務(wù)器就可以了。管理服務(wù)器采用B／S架構(gòu)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(shè)置各個(gè)社區(qū)的能源消耗值。能源管理服務(wù)器控制策略采用當(dāng)前模糊控制方法，根據(jù)社區(qū)能源傳感器收集的數(shù)據(jù)，做出控制決策。管理服務(wù)器允許用戶根據(jù)權(quán)限直接設(shè)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(yù)配置的各種傳感器和設(shè)備運(yùn)行軌跡來運(yùn)行。每個(gè)社區(qū)配置一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合當(dāng)前WCDMA設(shè)施廣泛部署的便利條件，該系統(tǒng)可以很經(jīng)濟(jì)的部署。

2.3 系統(tǒng)互通模型

ZigBee社區(qū)代理服務(wù)器和WCDZIG網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)通信的兩個(gè)關(guān)鍵組件。社區(qū)代理服務(wù)器負(fù)責(zé)收集社區(qū)內(nèi)的能源消耗、溫度、濕度等信息，同時(shí)接收能源管理服務(wù)器給ZigBee插座和開關(guān)等設(shè)備下發(fā)的控制命令。WCDZIG網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將社區(qū)代理服務(wù)器 （ZigBee協(xié)調(diào)器）的數(shù)據(jù)［5］和 WCDMA網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)做雙向轉(zhuǎn)換，起到一個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)之間的一個(gè)橋接作用。WCDZIG網(wǎng)關(guān)一邊是ZigBee協(xié)議棧，一邊是WCDMA協(xié)議棧 （本設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)化的IP化傳輸方案），TRANSFER MODULE負(fù)責(zé)兩種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換功能。WCDZIG網(wǎng)關(guān)組織框圖如圖3所示。

圖3 WCDZIG網(wǎng)關(guān)

WCDZIG網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4 WCDZIG網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

TRANSFER MODULE轉(zhuǎn)換模塊將ZigBee的數(shù)據(jù)幀和WCDMA的數(shù)據(jù)幀互相轉(zhuǎn)換［6］，這里定義ZigBee到 WCDMA網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換為上行，從WCDMA到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換為下行。上行流程將如下的數(shù)據(jù)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(fù)荷進(jìn)行傳輸。轉(zhuǎn)換前的幀格式如圖5所示［7］。

圖5 轉(zhuǎn)換前數(shù)據(jù)幀

轉(zhuǎn)換封裝后的幀格式如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)換封裝后幀格式

其中 RLC data域?yàn)樯蠄D中的消息［8］，Payload Type字段BIT7、8值設(shè)置為00，表示一個(gè)數(shù)據(jù)塊，BIT6、5設(shè)置為11，表示上行鏈路幀號(hào)為 （N＋26）模2715648的TDMA幀，S／P設(shè)置為0，表示RRBP域無效，USF域設(shè)置為111，指示一個(gè)時(shí)隙下使用8個(gè)無線塊，TFI域設(shè)置為0，指示不使用臨時(shí)流，PR域用于指示RLC功率級(jí)別，設(shè)置BIT8、7為00，指示采用低電平 （0－6db）。FBI標(biāo)志位0，指示非最后一個(gè)RLC數(shù)據(jù)塊，BSN域每次發(fā)送時(shí)累加1。擴(kuò)展比特E設(shè)置為0，表示沒有擴(kuò)展。更多比特M設(shè)置為01，表示沒有擴(kuò)展字節(jié)。下行幀格式轉(zhuǎn)換與上行相反，不再累述。

WCDZIG網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分程序8如下：

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

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流傳輸

3 系統(tǒng)功能介紹

3.1 系統(tǒng)的設(shè)備管理 （添加／刪除設(shè)備過程）

一個(gè)ZigBee設(shè)備［10］通過向ZigBee ROUTER發(fā)送 DEVICE＿JOIN＿REQ命令發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)過程。ZigBee ROUTER將請(qǐng)求消息路由到ZigBee協(xié)調(diào)器。DEVICE＿JOIN＿REQ命令包含地址信息和ZigBee端點(diǎn)信息 （具體傳感器類型等），ZigBee協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求加入的數(shù)據(jù)包后，將請(qǐng)求數(shù)據(jù)包發(fā)送到WCDZIG網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)包重組，添加網(wǎng)關(guān)地址信息，然后通過WCDMA基站將請(qǐng)求消息發(fā)送到能源管理服務(wù)器。能源管理服務(wù)器在設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫中記錄這個(gè)設(shè)備信息，然后發(fā)送響應(yīng)消息DEVICE＿JOIN＿RSP命令到WCDZIG網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)包重組發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器收到響應(yīng)消息后完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入流程，且將響應(yīng)消息發(fā)回給新增的設(shè)備，新增設(shè)備收到響應(yīng)消息后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)示自身狀態(tài)為已加入網(wǎng)絡(luò)。反之即是刪除設(shè)備過程。

3.2 系統(tǒng)能源管理

3.2.1 數(shù)據(jù)收集流程

能源管理服務(wù)器通過輪詢的方式向各個(gè)社區(qū)內(nèi)布置的ZigBee溫度、濕度、光傳感器、ZigBee插座、開關(guān)等設(shè)備實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)［11］。

能源管理服務(wù)器發(fā)送ENERGY＿COLLECT＿REQ命令給指定社區(qū)的WCDZIG網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到后將請(qǐng)求消息轉(zhuǎn)換成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器分別發(fā)送消息給本社區(qū)內(nèi)配置的ZigBee信息采集設(shè)備，ZigBee信息采集設(shè)備將各自記錄的信息以ENERGY＿CLLECT＿RSP命令響應(yīng)，依次發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器收集完本網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備數(shù)據(jù)后，通過ENERGY＿COLLECT＿RSP消息發(fā)送給能源管理服務(wù)器。

3.2.2 能源管理控制功能

當(dāng)WCDZIG系統(tǒng)的能源管理服務(wù)器收集完一個(gè)社區(qū)的各種能源信息后，通過模糊控制方法設(shè)計(jì)出一個(gè)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(shí)的物理變量描述為自然語言的幾個(gè)術(shù)語，每一個(gè)有一個(gè)取值范圍為0或1的隸屬函數(shù)；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(jié)論用自然語言表述；去模糊化是將自然語言表述的結(jié)論信息轉(zhuǎn)化為真實(shí)的物理變量。能源管理系統(tǒng)通過采集數(shù)據(jù)和下達(dá)命令，使設(shè)備采用合理的運(yùn)行規(guī)則來運(yùn)行，從而達(dá)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(píng)估

本文通過C＋＋語言設(shè)計(jì)了一個(gè)仿真模型，用于仿真本系統(tǒng)節(jié)能效果。為了評(píng)估仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，首先比較一下仿真系統(tǒng)在未采用WCDZIG時(shí)候的能源消耗數(shù)據(jù)與真實(shí)社區(qū)消耗數(shù)據(jù)比較，以確定仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)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(jì)數(shù)據(jù)，該社區(qū)規(guī)模中等，總計(jì)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(gè)方面：路燈、供熱、灌溉、設(shè)備，所以仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)對(duì)象，分別模擬這四部分的能源消耗，通過仿真系統(tǒng)計(jì)算出一個(gè)月的能源仿真結(jié)果，將該結(jié)果與該社區(qū)一個(gè)月真實(shí)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(shè)備和路燈占20%和25%，灌溉占15%，仿真結(jié)果與統(tǒng)計(jì)值結(jié)果基本相同，差別最大的事灌溉系統(tǒng)，差2%個(gè)點(diǎn)，但是灌溉所占比重相對(duì)輕些，所以可以認(rèn)為仿真系統(tǒng)是準(zhǔn)確的。

仿真系統(tǒng)采用WCDZIG系統(tǒng)后，仿真值與統(tǒng)計(jì)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(shè)備能源消耗減少相對(duì)少些，也達(dá)到了20%。這個(gè)結(jié)果表明WCDZIG系統(tǒng)綜合可以降低一個(gè)中等社區(qū)能源消耗的30%，就可以較少CO230%，對(duì)當(dāng)前世界節(jié)能減排具有重要的意義。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)WCDZIG能源管理系統(tǒng)，節(jié)約能源，應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源危機(jī)，系統(tǒng)采用WCDMA和ZigBee相結(jié)合，提供了一種新的實(shí)時(shí)監(jiān)控能源消耗、環(huán)境條件、設(shè)備運(yùn)行的方法。無線方案省去了大量有線配置的成本，且利用當(dāng)前最流行的3G網(wǎng)絡(luò)WCDMA，節(jié)約了無線布網(wǎng)的成本。系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性，可以無需干預(yù)布置ZigBee設(shè)備監(jiān)控點(diǎn)，也可以進(jìn)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(dāng)前WCDMA的廣泛應(yīng)用，可以將社區(qū)各種信息與智能終端相結(jié)合，社區(qū)內(nèi)居民可以實(shí)時(shí)收到社區(qū)中各種信息。

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