基于Zigbee 的電力物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

曲燦武，陳雅麗，何 健

（國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050070）

0 引 言

由于存在諸多局限與挑戰(zhàn)，化石燃料廠的發(fā)電效率只有33%，且在傳輸過(guò)程中會(huì)損失將近8%的電量[1]。目前，電網(wǎng)還存在停電和供電中斷的問(wèn)題，每年至少造成上千億美元的損失。因此，新一代電網(wǎng)應(yīng)該解決能源效率和可靠性問(wèn)題，并更加注重環(huán)保。

電力物聯(lián)網(wǎng)要求電網(wǎng)應(yīng)增加智能和雙向數(shù)字通信，以解決困擾電網(wǎng)的效率、穩(wěn)定性和靈活性問(wèn)題。它促進(jìn)了多種服務(wù)，包括大規(guī)模整合可再生能源、快速停電檢測(cè)、實(shí)時(shí)定價(jià)反饋給客戶以及涉及住宅和商業(yè)客戶的需求響應(yīng)計(jì)劃。這些都強(qiáng)調(diào)通信基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)管理的重要性。這些基本成分可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析，同時(shí)控制電氣負(fù)荷，以降低峰均比和滿足需求響應(yīng)。

1 基于Zigbee的電力物聯(lián)網(wǎng)能源監(jiān)控系統(tǒng)

Zigbee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)單、低成本、低功耗、短延時(shí)、高容量、高安全和低傳輸速率的無(wú)線技術(shù)，被大量公用事業(yè)公司首選為智能計(jì)量設(shè)備的通信平臺(tái)。因?yàn)樗峁┝艘粋€(gè)用于在智能計(jì)量設(shè)備和位于客戶駐地的設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，而SEP為需求響應(yīng)、高級(jí)計(jì)量支持、實(shí)時(shí)定價(jià)、文本消息傳遞、負(fù)荷控制和其他功能提供了支持。

然而，在免許可ISM頻段上運(yùn)行時(shí)，Zigbee受到了來(lái)自共享該頻段的各種設(shè)備的干擾。這些設(shè)備包括IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙設(shè)備、嬰兒監(jiān)視器和微波爐。研究表明，Wi-Fi是2.4 GHz ISM頻段內(nèi)Zigbee最重要的干擾源。如何解決在普遍存在Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的Zigbee和Wi-Fi的共存問(wèn)題，成為這項(xiàng)工作的主要目的。

電力物聯(lián)網(wǎng)能源監(jiān)控系統(tǒng)利用先進(jìn)無(wú)線技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控、負(fù)載控制和降低、能源效率和樓宇自動(dòng)化，采用Zigbee作為無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施，用于能源使用監(jiān)測(cè)、凈計(jì)量和響應(yīng)需求。

雙向通信用于將Zigbee端節(jié)點(diǎn)讀取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集和控制中心（DCCC），并將控制消息從DCCC傳遞到終端節(jié)點(diǎn)。每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)分布式Zigbee路由節(jié)點(diǎn)將收集的數(shù)據(jù)中繼到DCCC。Zigbee協(xié)調(diào)器將聚合接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和處理，并根據(jù)所選擇的能源監(jiān)控系統(tǒng)策略向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)。

2 Zigbee/IEEE 802.15.4和Wi-Fi/IEEE 802.11b概述

2.1 Zigbee/IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4定義了Zigbee協(xié)議的物理層（PHY）和介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC），而Zigbee Alliance定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了ISM 2.4 GHz、915 MHz和868 MHz頻段以及兩個(gè)基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的PHY方案的操作[2]。

Zigbee可分為全功能設(shè)備（FFD）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。FFD可以執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)建立、路由和管理，而RFD出于簡(jiǎn)單而低成本的目的僅支持ZigBee設(shè)備功能的一部分。作為網(wǎng)絡(luò)的根源和與其他網(wǎng)絡(luò)的橋梁，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和管理。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)只包含一個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器。路由器連接在協(xié)調(diào)器和其他節(jié)點(diǎn)之間。路由器和協(xié)調(diào)器可以與網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備通信，并且通常由主電源供電。它們不會(huì)進(jìn)入休眠，因此不會(huì)影響通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由流量的能力。終端設(shè)備與路由器不能進(jìn)行對(duì)等通信，往往由電池供電，大部分時(shí)間都在休眠模式下。他們定期喚醒，檢查在他們父路由器上為其緩沖的任何消息，并讀取其附帶的傳感器，傳送測(cè)量數(shù)據(jù)，然后返回休眠模式。

ZigBee的目標(biāo)市場(chǎng)是通用的、廉價(jià)的以及自組織的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，用于能源管理、家庭自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化。Zigbee智能能源的最終目標(biāo)是大幅度地激勵(lì)人們了解、管理、提升自動(dòng)化程度，并提高能源效率來(lái)促進(jìn)社會(huì)變革。

2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了Wi-Fi的PHY層和MAC層。它在ISM 2.4 GHz頻段中定義了13個(gè)重疊的22 MHz寬頻率信道。只有2組3個(gè)不重疊的頻道：美國(guó)的1、6和11信道，歐洲的1、7和13信道[3]。IEEE 802.11b有幾個(gè)版本是最廣泛部署的版本。IEEE 802.11b具有11 Mb/s的最大傳輸速率，且使用與原始IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中定義的相同的CSMA/CA媒體接入方法。802.11b PHY層集成了DSSS調(diào)制。從技術(shù)上講，802.11b標(biāo)準(zhǔn)使用Barker編碼和補(bǔ)碼鍵控（CCK）作為其調(diào)制技術(shù)。與原始標(biāo)準(zhǔn)相比，CCK編碼的修正使得數(shù)據(jù)傳輸速率大幅度提高。室內(nèi)范圍30.48 m時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s；91.44 m時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s。

2.3 IEEE 802.15.4的主干擾源

由于無(wú)線技術(shù)的多樣性，各種使用2.4 GHz ISM頻段的不同技術(shù)將以不同的方式干擾ZigBee。這些影響大部分都可以忽略，因?yàn)橹挥猩贁?shù)可能會(huì)嚴(yán)重影響ZigBee的性能。在理論上研究ZigBee在Wi-Fi和藍(lán)牙下的性能，結(jié)果表明Wi-Fi比藍(lán)牙的干擾要大得多。Zigbee和IEEE 802.11g之間的相互作用在吞吐量方面進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)性評(píng)估，結(jié)果表明Zigbee不會(huì)顯著影響IEEE 802.11g。然而，當(dāng)所選擇的操作信道的頻譜一致時(shí)，IEEE 802.11g對(duì)Zigbee吞吐量的影響是顯著的。使用頻率也是評(píng)估不同干擾程度的一個(gè)關(guān)鍵因素。大多數(shù)干擾都是由于IEEE 802.11發(fā)射機(jī)在住宅和公共環(huán)境中的廣泛使用引起的。3個(gè)Wi-Fi信道幾乎覆蓋了Zigbee的整個(gè)頻譜，更重要的是，Wi-Fi信號(hào)幾乎比ZigBee信號(hào)強(qiáng)100倍。

為了減輕Wi-Fi引起的干擾，Zigbee標(biāo)準(zhǔn)在協(xié)議中增加了相應(yīng)的功能。直接序列擴(kuò)頻（DSSS）是一種“擴(kuò)展頻譜”，其擴(kuò)展信號(hào)比調(diào)制的信息信號(hào)占據(jù)更多的帶寬。由于寬帶寬，它可以與窄帶信號(hào)共存，略有降低用于擴(kuò)展頻譜的頻譜上的信噪比。在MAC子層中使用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/避免沖突（CSMA/CA）。CSMA采用監(jiān)聽(tīng)策略，所以用戶在信道閑置前不會(huì)發(fā)送。在Zigbee中使用特定按需距離向量（AODV）路由協(xié)議。這是一種純粹的按需路由獲取算法，且基于此路由算法，Zigbee可以自動(dòng)構(gòu)建單個(gè)集群網(wǎng)絡(luò)或潛在較大的簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)基本上是自組織的，支持網(wǎng)絡(luò)冗余，能夠達(dá)到一定程度的容錯(cuò)性和自愈性。

雖然在ZigBee中使用了許多干擾緩解技術(shù)，但干擾問(wèn)題仍然被認(rèn)為是有爭(zhēng)議的。因此，衡量干擾的影響并分析緩解技術(shù)如何改善Wi-Fi和ZigBee的共存問(wèn)題是一項(xiàng)值得努力的工作。

3 Zigbee在Wi-Fi下的性能分析

誤碼率（BER）和分組錯(cuò)誤率（PER）是評(píng)估數(shù)字通信技術(shù)的魯棒性和可靠性的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[2]。它們被定義為傳輸系統(tǒng)中錯(cuò)誤發(fā)生的速率，且與信噪比成正比。

2.4 GHz IEEE 802.15.4物理層采用OQPSK調(diào)制。對(duì)于加性高斯白噪聲（AWGN）信道，誤碼率為：

其中，Eb/N0是歸一化信噪比（SNR），Q(x)是高斯分布的Q函數(shù)：

當(dāng)ZigBee信道與Wi-Fi信道重疊時(shí)，可以考慮將Wi-Fi信號(hào)作為ZigBee信號(hào)的部分頻段干擾噪聲，將信噪比替換為信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR），定義為：

其中，Ps是Zigbee接收機(jī)所需信號(hào)的功率，Pn是噪聲功率，Pi是來(lái)自Zigbee接收機(jī)的Wi-Fi信號(hào)的接收干擾功率。

路徑損耗模型表示發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的功率損耗，因此可以與傳輸功率一起使用，以實(shí)現(xiàn)Ps和Pi的計(jì)算?？紤]到Zigbee和Wi-Fi在室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用最為廣泛，所以室內(nèi)路徑損耗模型最合適。

4 基于頻率捷變的干擾避免方案

根據(jù)理論模型，誤碼率取決于重疊信道中的噪聲電平和干擾功率[3]。距離和失調(diào)頻率在干擾功率中起關(guān)鍵作用。如果ZigBee設(shè)備能夠檢測(cè)到干擾，找到“安全通道”，并將整個(gè)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)遷移到一個(gè)清晰的通道，其性能將得到顯著改善。解決方案需要對(duì)現(xiàn)有的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作微小調(diào)整，也可以通過(guò)軟件升級(jí)實(shí)施。此外，任何提議的解決方案必須簡(jiǎn)單、節(jié)能。考慮到這些因素，對(duì)結(jié)合星形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IEEE 802.15.4簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，頻率捷變算法是完美的選擇，旨在實(shí)現(xiàn)高可靠性、高可擴(kuò)展性和高能效。

該方案的主要內(nèi)容是干擾檢測(cè)和干擾抑制[3]。每個(gè)發(fā)送方節(jié)點(diǎn)定期測(cè)量其PER，如果PER超過(guò)某個(gè)閾值，則發(fā)送方將向其父路由器發(fā)送鏈路質(zhì)量指示符（LQI）報(bào)告。如果LQI低于一定值，則協(xié)調(diào)器指示個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的所有路由器對(duì)可用信道進(jìn)行干擾檢測(cè)。通過(guò)在Zigbee協(xié)議中定義的能量檢測(cè)（ED）掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾檢測(cè)，并且基于來(lái)自所有ED掃描的反饋，協(xié)調(diào)器選擇具有較好質(zhì)量且不被其他Zigbee個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)占用的信道。最后是將所有個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備遷移到這個(gè)“安全”信道。

在干擾非常嚴(yán)重、終端設(shè)備不能成功向路由器報(bào)告的特定情況下，由于路由器周期性地監(jiān)控自身與其所有子節(jié)點(diǎn)之間的鏈路LQI，因此路由器仍然可以檢測(cè)到干擾。如果LQI在多個(gè)周期內(nèi)相當(dāng)?shù)?，且路由器沒(méi)有在配置的規(guī)定期限內(nèi)收到來(lái)自其子節(jié)點(diǎn)的任何消息，路由器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行能量檢測(cè)掃描，并將結(jié)果報(bào)告給協(xié)調(diào)器。

5 結(jié) 論

Zigbee是一種低成本、短距離以及低能耗的無(wú)線通信技術(shù)，在許多環(huán)境中具有廣泛的適用性，特別是在智能電網(wǎng)領(lǐng)域。它可以用于連接、監(jiān)視和遠(yuǎn)程控制家庭、建筑物和工廠中的數(shù)據(jù)和設(shè)備。但是，它與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)共享相同的免許可頻段，于是文章對(duì)Wi-Fi干擾下的Zigbee性能進(jìn)行了全面評(píng)估。使用數(shù)值分析和經(jīng)驗(yàn)分析證實(shí)，Zigbee可能會(huì)受到Wi-Fi的嚴(yán)重影響，且可以識(shí)別“安全距離”和“安全偏移頻率”以指導(dǎo)Zigbee部署。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)Wi-Fi干擾不顯著時(shí)，Zigbee能提供令人滿意的性能。而當(dāng)Wi-Fi干擾很顯著時(shí)，基于頻率捷變的干擾緩解方案可以提供一種有效的手段。這種手段能夠提供可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)來(lái)提高Zigbee的性能，從而為Zigbee與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)共存提供穩(wěn)健可靠的服務(wù)。