基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與5G邊緣計算的能源管理垂直應(yīng)用系統(tǒng)

尚賽花

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增長，不可再生能源供應(yīng)日趨緊張，清潔可再生新能源還未成功發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)不可再生能源危機成為當(dāng)代人面臨的主要問題，如何通過技術(shù)手段節(jié)約能源是當(dāng)前技術(shù)研究的一個熱點。社會生活仍主要依賴于傳統(tǒng)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(shù)與模式識別進行智能節(jié)能是一個重要的研究方向。本文提供了一種結(jié)合5G邊緣計算和ZigBee社區(qū)網(wǎng)絡(luò)的綠色城市無線智能能源管理APP系統(tǒng)。城市是由一個個的社區(qū)組成的，本系統(tǒng)以社區(qū)為單位設(shè)計了智能能源管理系統(tǒng)。

1 邊緣計算與ZigBee系統(tǒng)介紹

邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，邊緣計算是讓物聯(lián)網(wǎng)落地的根本。邊緣計算的發(fā)展將經(jīng)歷互連、智能與自動自主3個階段。在各個階段的發(fā)展進程中，傳感器數(shù)量的增加、網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸的長期存在，以及系統(tǒng)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(fā)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(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，對其進行開發(fā)利用。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee技術(shù)適合短距離低速率的數(shù)據(jù)傳輸，邊緣計算技術(shù)可以基于ZigBee采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的智能化管理，兩者相結(jié)合可以實現(xiàn)城市能源系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)[1]。

2 智能能源管理系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)包含ZigBee端點、ZigBee社區(qū)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(shè)備將溫度、濕度、熱量、電力等傳感器數(shù)據(jù)包發(fā)給社區(qū)的ZigBee代理服務(wù)器，代理服務(wù)器通過5G終端接入5G網(wǎng)絡(luò)，通過基站將數(shù)據(jù)上傳至5G網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)智能計算，算法采用模糊控制算法。系統(tǒng)分為前端ZigBee社區(qū)系統(tǒng)、5G傳輸網(wǎng)、邊緣計算（部署能源管理系統(tǒng)APP）3個主要部分，本文重點為前端ZigBee社區(qū)網(wǎng)絡(luò)和能源管理系統(tǒng)APP進行介紹。城市能源管理APP結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MEC智能能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涵蓋能源消耗的各個節(jié)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(jié)點，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)收集傳輸，為后端智能管理APP提供數(shù)據(jù)輸入。

本系統(tǒng)根據(jù)ZigBee協(xié)議，ZIGBBE節(jié)點分為ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器[2]、ZigBee端點。在單個社區(qū)中搭建獨立的ZigBee自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)編號規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)PANID從0000開始，為了減少網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，PANID設(shè)置小于1 000，組網(wǎng)方式采用網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)布線的形式，這種組網(wǎng)的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)可靠性較好，可靠性通過故障路徑重選擇來實現(xiàn)，例如ZigBee節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。ZigBee中心協(xié)調(diào)器負責(zé)社區(qū)數(shù)據(jù)的接收和中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器是社區(qū)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議只允許部署一個協(xié)調(diào)器，為了保障協(xié)調(diào)器的可靠性，本文采用ZigBee協(xié)調(diào)器主備方案，確保數(shù)據(jù)采集的可靠性。ZigBee協(xié)調(diào)器主備方案如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器主備示意

ZigBee主備方案設(shè)計如下：主備協(xié)調(diào)器初始狀態(tài)保持相同網(wǎng)絡(luò)配置，初始狀態(tài)主協(xié)調(diào)器始終設(shè)置為ACTIVE工作態(tài)，備協(xié)調(diào)器設(shè)置為STANDBY伺服態(tài)，主備切換的條件是主協(xié)調(diào)器本身異常，如硬件或軟件問題，導(dǎo)致無法繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時[3]，備協(xié)調(diào)器倒換為主協(xié)調(diào)器，設(shè)置自身狀態(tài)為ACTIVE工作態(tài)。主備協(xié)調(diào)器互相倒換的機制是心跳檢測，具體過程為備協(xié)調(diào)器周期性（周期時長可配置，默認(rèn)為5 s）發(fā)送心跳信息包MAIN_STATE_REQ_HEARTBEAT給主協(xié)調(diào)器，主協(xié)調(diào)器接收到備協(xié)調(diào)器的心跳消息后，給備協(xié)調(diào)器發(fā)送MAIN_STATE_RSP_HEARTBEAT進行響應(yīng)，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(xié)調(diào)器超時（超過時間可以修改設(shè)置默認(rèn)1 s）未回響應(yīng)消息或者消息中攜帶了接管命令碼，則備協(xié)調(diào)器立即啟動接管流程，備協(xié)調(diào)器根據(jù)主協(xié)調(diào)器響應(yīng)消息，設(shè)置接管原因，比如主協(xié)調(diào)器發(fā)生軟硬件故障、主協(xié)調(diào)器電池電量不足等原因，且設(shè)置自身為工作態(tài)，即狀態(tài)值為ACTIVE，備協(xié)調(diào)器切換為主協(xié)調(diào)器。MAIN_STATE_REQ_HEARTBEAT和AIN_STATE_REP_HEARTBEAT是本系統(tǒng)自定義的一對KEY_VALUE_PAIR，非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議默認(rèn)的消息對[4-9]。

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

一個ZigBee終端設(shè)備（溫/濕度傳感器、民用電/氣度量表）[10]通過往ZigBee路由器發(fā)送DEVICE_JOIN_REQ命令，進行終端設(shè)備初始入網(wǎng)流程。ZigBee路由器根據(jù)記錄的PANID，尋找路徑將請求消息發(fā)送給ZigBee主協(xié)調(diào)器。設(shè)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(shù)據(jù)來源劃分的依據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器這里作為5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)使用，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換包括添加網(wǎng)關(guān)地址信息，添加原始請求消息的內(nèi)容。網(wǎng)關(guān)通過5G協(xié)議發(fā)送給邊緣計算側(cè)的智能能源管理APP。智能能源管理APP在設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫中添加這個設(shè)備信息。

2.1.2 數(shù)據(jù)收集流程

智能能源管理APP周期性地向社區(qū)終端側(cè)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(shù)據(jù)收集，第一跳節(jié)點是5G網(wǎng)關(guān)，也即網(wǎng)絡(luò)主協(xié)調(diào)器，主協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為ZigBee網(wǎng)絡(luò)消息格式，且通過廣播方式發(fā)送該消息給注冊到本網(wǎng)絡(luò)的終端ZigBee設(shè)備，終端傳感器設(shè)備將數(shù)據(jù)去噪后反饋給主協(xié)調(diào)器，反饋命令是ENERGY_CLLECT_RSP，主協(xié)調(diào)器收到傳感器設(shè)備后，進行數(shù)據(jù)緩存，待所有傳感器數(shù)據(jù)收集完成后，組合打包發(fā)送給智能能源管理APP，以減少5G網(wǎng)絡(luò)消息數(shù)據(jù)，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。智能能源管理APP在MEC側(cè)對傳感器數(shù)據(jù)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(shè)備的部署[4]，ZigBee社區(qū)代理服務(wù)器收集的數(shù)據(jù)可以通過5G網(wǎng)絡(luò)傳送到MEC計算平臺，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)部署一個能源管理APP就可以了，也可以多個ZigBee網(wǎng)絡(luò)部署到一個APP。智能能源管理APP采用tomcat架構(gòu)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(shè)置各個社區(qū)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(nèi)傳感器上傳的數(shù)據(jù)，作為FUZZYCONTROL三級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(qū)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行模糊化；第二步設(shè)置模糊推理邏輯，比如設(shè)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(shù)語，每個物理變量有一個隸屬函數(shù)，該隸屬函數(shù)的函數(shù)值取值范圍為0～1，通過IF THEN自然語言預(yù)計規(guī)則，將輸入的能源信息映射到輸出結(jié)論，這些映射全部用自然語言表述，即將邏輯數(shù)據(jù)與自然語言之間建立一個關(guān)系集，關(guān)系集符合能源節(jié)約的訴求；第四步是去模糊化，也就是將自然語言重新轉(zhuǎn)為為機器可以理解的二進制數(shù)字，用于網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行自然語言的控制結(jié)論。能源管理APP通過采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行模糊計算、下發(fā)控制規(guī)則，保證終端設(shè)備按照既定的算法運行，以使設(shè)備達到最佳節(jié)能狀態(tài)[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(tǒng)節(jié)能效果評估

本文采用MATLAB設(shè)計了一個仿真模型，進行系統(tǒng)算法節(jié)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(qū)，對該小區(qū)數(shù)據(jù)進行了仿真分析，數(shù)據(jù)為該小區(qū)某年某月一個月的能源消耗情況。仿真系統(tǒng)采用邊緣計算智能能源控制算法，社區(qū)的能源消耗主要分布在4個方面：灌溉、設(shè)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(guī)則設(shè)置和去模糊化，MATLAB仿真值與統(tǒng)計值比較如圖5所示。

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

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過采用新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)節(jié)約能源，即5G邊緣計算技術(shù)的一種垂直應(yīng)用場景，MEC與社區(qū)ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合應(yīng)對當(dāng)前能源危機，節(jié)能效果顯著，為5G的應(yīng)用方向以及節(jié)能措施都進行了有效的實驗和探索，后續(xù)可以進一步研究利用5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)平安社區(qū)。

圖5 系統(tǒng)節(jié)能效果

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