0 引言
無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時代即將來臨,，物聯(lián)網(wǎng)被專家及多個國家認為是繼互聯(lián)網(wǎng)浪潮之后的又一次科技革命,。不管是IBM提出的智慧地球,，還是溫家寶總理在無錫提出的感知中國,，都意味著物聯(lián)網(wǎng)將是當下最熱門最具競爭性的產(chǎn)業(yè),。傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)一般需要布設現(xiàn)場總線，然后將現(xiàn)場設備連接到一臺電腦進行數(shù)據(jù)處理并向用戶顯示界面,，當數(shù)據(jù)量較大時可能需要單獨的數(shù)據(jù)處理服務器,，而如果需要實現(xiàn)跨地區(qū)的遠程管理，更是需要在互聯(lián)網(wǎng)上架設一臺專門的服務器,，這樣,，不僅需要投入服務器等網(wǎng)絡設備以及開發(fā)相應的服務軟件，系統(tǒng)的維護除現(xiàn)場級設備和總線鏈路外還需要IT部門的管理員協(xié)助維護服務器設備,，避免服務器故障而造成損失,。因此，將物聯(lián)網(wǎng)技術引入到遠程能源管理系統(tǒng)中來,，底層運用無線傳感網(wǎng)絡連接現(xiàn)場傳感器及設備,，上層使用互聯(lián)網(wǎng)技術服務，消除現(xiàn)場級布線的煩惱,，可以消除網(wǎng)絡硬件的投入及日常的IT維護,，同時可以輕松實現(xiàn)基于WEB服務的遠程管理。由于本文所述的能源管理系統(tǒng)采用安科瑞（Acrel）公司提供的平臺及解決方案,，因此,，在系統(tǒng)具體實現(xiàn)的設計均按照Acrel平臺的要求，但這并不影響借鑒和參考此平臺和解決方案來討論物聯(lián)網(wǎng)的構架,、問題,，及前景。
1 什么是物聯(lián)網(wǎng)
1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義
目前國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)也還沒有一個統(tǒng)一的標準定義,，只是在大體的技術框架上做了一個概念性的表述：通過射頻識別（RFID）,、傳感器、全球定位系統(tǒng),、激光掃描器等信息傳感設備,，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,，進行信息交換和通訊,，以實現(xiàn)智能化識別、定位,、跟蹤,、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)就字面意義上理解就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”,。這有兩層意思：第一,，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡,；第二,，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間,，進行信息交換和通訊。從物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上看,，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應用與技術提升,，將各種感知技術,、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用,，使人與物智慧對話，創(chuàng)造一個智慧的世界,。因為物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展幾乎涉及到了信息技術的方方面面,，是一種聚合性、系統(tǒng)性的創(chuàng)新應用與發(fā)展,，也因此才被稱為是信息技術的第三次革命性創(chuàng)新,。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)概括起來主要體現(xiàn)在三個方面：一是互聯(lián)網(wǎng)特征，即對需要聯(lián)網(wǎng)的物一定要能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通的互聯(lián)網(wǎng)絡,；二是識別與通信特征,，即納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”一定要具備自動識別與物物通信的功能；三是智能化特征,，即網(wǎng)絡系統(tǒng)應具有自動化,、自我反饋與智能控制的特點。
1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組成
物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構主要由三大塊組成：
一,、包括各類傳感器,、控制器等數(shù)據(jù)采集控制設備，及構成這些設備互聯(lián)的底層傳感網(wǎng)絡組成的設備感知層,。感知層中的智能終端,、智能傳感器、射頻識別,，以及傳感網(wǎng)絡,，組成了物聯(lián)網(wǎng)的底層基礎。
二,、將底層傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡層,。網(wǎng)絡層運用各種接入技術：如以太網(wǎng)、GPRS,、3G,、Wi-Fi，甚至衛(wèi)星通訊等,，最終接入互聯(lián)網(wǎng),。云技術強大的存儲、查詢,、計算能力,，也都歸屬在這一層,。
三、根據(jù)客戶自身需求,，利用感知數(shù)據(jù)或狀態(tài)為用戶提供有效的特定服務的應用層,。應用層是對感知數(shù)據(jù)的一種特定形式的呈現(xiàn)。
1.3 ZigBee技術的特點
ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準,，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO擴展指令集的ZigBee2006版本,，ZigBee功能不斷強大。ZigBee具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1),，它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型,，即星型結(jié)構(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(Mesh)和樹型結(jié)構(Cluster Tree),，特別是網(wǎng)狀結(jié)構,，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi,、Bluetooth等短距離無線通信技術相比較,，ZigBee的特點主要有。
(1)工作周期短,、收發(fā)信息功耗較低,，并且RFD(Reduced Function Device，簡化功能器件)采用了休眠模式,，不工作時都可以進入睡眠模式,。
(2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10),，降低了對通信控制器的要求,，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼,，子功能節(jié)點少至4KB代碼,。
(3)低速率、短延時,。ZigBee的最大通信速率達到250kb／s(工作在2.4GHz時),，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。ZigBee的響應速度較快,，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能,。相比較,，藍牙需3～10S、Wi-Fi需3S,。
(4)近距離,，高容量,。傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后,，亦可增加到1~3km,。這指的是相鄰節(jié)點間的距離，若通過路由和節(jié)點間通信的接力,，擴展后達到幾百米甚至幾公里,。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構,。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
(5)高可靠性和高安全性,。ZigBee的媒體接入控制層(Medium Access Control，MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機制,，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式,，包括無安全設定,、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(Advanced Encryption Standard，AES)的對稱密碼,，以靈活確定其安全屬性,。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(Industrial Scientific Medical,，ISM)頻段,，分別為2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲),。
1.4 ZigBee的性能參數(shù)
以Acrel公司ANEZB-485 ZigBee采集器和ANEZB-GTW ZigBee網(wǎng)絡終端為例,，其主要參數(shù)見表1.
2 能源管理系統(tǒng)的設計
2.1 工作原理
能源管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)用電設備的智能管理，采用基于Acrel公司解決方案,，感知層采用ZigBee無線通訊技術,。由于ZigBee網(wǎng)絡具有設備成本低、設備體積小,、省電,、網(wǎng)絡自愈能力強等特點，非常適合廣泛應用在智能家庭,、工業(yè)控制,、能源管理、醫(yī)療監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)領域,。網(wǎng)關和網(wǎng)絡電力儀表,、智能開關組成一個ZigBee私域網(wǎng)絡,，實現(xiàn)相互之間的連接。網(wǎng)關可進行本地邏輯運算,，實現(xiàn)本地智能,。
2.2 系統(tǒng)結(jié)構
能源管理系統(tǒng)由現(xiàn)場采集執(zhí)行器、本地數(shù)據(jù)處理,、應用服務程序等幾個部分組成,。其系統(tǒng)結(jié)構見圖2。
(1)現(xiàn)場采集執(zhí)行器：主要有ACR330ELH,、ACR220EL卡表
(2)應用服務程序：運行于Google云技術服務平臺,，基于Google App
Engine開發(fā)的web應用程序，具有權限的用戶在任何可以接入互聯(lián)網(wǎng)的地方,，使用Web瀏覽器登錄,，即可查看該能源管理系統(tǒng)中的設備運行狀態(tài)，以及能耗數(shù)據(jù)報表等信息,。
3 能源管理系統(tǒng)計量體系宜選電力儀表
建立能源管理系統(tǒng)應先建立計量體系,。數(shù)據(jù)先于決策，節(jié)能始于計量,。為了不重復投資,，造成浪費，能源管理系統(tǒng)應與配電系統(tǒng)一體化,，直接在配電系統(tǒng)中采集能耗數(shù)據(jù),。
電能計量宜采用電力儀表作為內(nèi)部管理電表，不宜用收費電表,。在電能管理中,，供電部門一般會在總進線處安裝收費電表?？紤]內(nèi)部電能計量與節(jié)能管理的需要,，在用戶安裝收費電表的基礎上安裝電力儀表，用于內(nèi)部電能管理,。因此用戶可自主選擇采購,，但應注意制造商是否有電力儀表（電能部分）的計量許可證。電力儀表可以完成對各回路,、各功能區(qū)的分項電能數(shù)據(jù)的采集,，通過后臺電能管理系統(tǒng)完成電能分項計量。
4 zigbee無線抄表解決方案
圖3為ZigBee能源管理系統(tǒng),，遠程通信網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng)絡,，網(wǎng)絡中電表的通信協(xié)議采用MODBUS-RTU協(xié)議。整個系統(tǒng)中監(jiān)控主機通過以太網(wǎng)按照TCP/IP協(xié)議把MODBUS-RTU命令數(shù)據(jù)傳遞給ZigBee網(wǎng)絡中心節(jié)點，網(wǎng)絡中心節(jié)點再通過單點對多點的通信模式,，以廣播的方式把命令數(shù)據(jù)幀傳遞給ZigBee無線網(wǎng)絡中的各個ZigBee采集器,，通過ZigBee采集器傳遞給485總線上的各個表計，如果表計的地址與命令幀中所涉及的地址吻合,，則做出相應的數(shù)據(jù)回復,，通過原路返回給監(jiān)控主機。
整個系統(tǒng)可以監(jiān)測整個廠區(qū)或整幢樓宇等的各個分項的電能計量,，譬如一個廠區(qū)路燈耗電量,、各個辦公室的耗電量、各條生產(chǎn)線的耗電量等等,，還可以以報表的形式分析該工廠在一段時時間內(nèi)的各個分項能耗占總能耗的百分比,，以便工廠了解這段時間里的各個分項的能耗，以制定出往后能耗管理方案,，已達到節(jié)能減耗的效果,。
安科瑞為生產(chǎn)基地——江蘇安科瑞電器制造有限公司設計的針對生產(chǎn)用電進行管理的電能管理分析系統(tǒng)，是基于ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡的電能管理系統(tǒng),，整個系統(tǒng)的組網(wǎng)采用ZigBee與RS485混合組網(wǎng)模式,。
整個廠區(qū)共設8個集中監(jiān)測點，分別位于配電間,、層配生產(chǎn)動力柜、空調(diào)動力柜,、排風機控制箱及位于配電末端的幾個照明控制箱,。每個監(jiān)測點各設置無線ZigBee采集器一只，通過RS485總線對位于該監(jiān)測點的電能計量儀表進行通訊組網(wǎng),；監(jiān)控中心設置ZigBee網(wǎng)絡終端一只,，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及考慮通訊的可靠性，于適當位置設置數(shù)只ZigBee中繼路由器,。系統(tǒng)的組網(wǎng)示意如圖4,。
公司通過建立ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)解決方案的工廠試點工程，對ANEZB無線ZigBee通訊模塊的實際參數(shù)進行了驗證,。詳細參數(shù)見表3,。
注1：以上表中數(shù)據(jù)是試點工程中的實測數(shù)據(jù)。在實際情況實施時,，應視樓宇實際結(jié)構而定,。
注2：無線信號穿透能力，往往還會受到如房間堆放物品的數(shù)量,，堆放物品的高度等影響,。
5結(jié)束語
基于ZigBee無線網(wǎng)絡配電管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式比較靈活，而且有效減少了布線工作量,，解決了有線通信方式帶來的布線難度大,、成本高和升級維護困難等問題,。
物聯(lián)網(wǎng)技術在此能源管理系統(tǒng)中取得了成功的應用，通過設定一些閾值及條件,，電燈可依照亮度傳感器的感知數(shù)據(jù)及夏令,、冬令時間自行開關，實現(xiàn)了物物感知,、智能控制的效果,，而云技術的運用實現(xiàn)了免IT基礎設施的用戶應用即時發(fā)布，徹底消除了IT設備采購周期,、IT維護等因素的影響,。運用物聯(lián)網(wǎng)技術將使人們的生活更加便捷、更加智能化,，物聯(lián)網(wǎng)技術將會越來越多的被應用,，物聯(lián)網(wǎng)應用也會從目前的局限于一個工廠、一棟樓宇的局域感知型物聯(lián)網(wǎng),，向大范圍,、眾多不同設備互聯(lián)的廣域感知型物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。但是由于當前物聯(lián)網(wǎng)技術還沒有相關統(tǒng)一的標準體系,，且物聯(lián)網(wǎng)本身的定義還存在爭論,，因此，全面普及的大范圍廣域物聯(lián)網(wǎng)還有許多路要走,。