基于ZigBee双归属网关的能源管理系统

郭秀才，尚赛花

（西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安710054）

0 引 言

随着人口的增长、经济的发展，能源资源供应日趋紧张，清洁可再生新能源还未成功发现，社会生活仍主要依赖于传统的能源，传统能源危机在当前世界已经发生，节约能源已是当今世界的一种重要社会公识，如何节约能源成为一个重要课题。城市的能源消耗占整个能源消耗的70%－80%，所以城市的节能降耗显得尤其重要。科技在不断的更新发展，不断的有新的更节能的产品问世，低功耗、长寿命产品成为新的标志，但目前的发展还主要集中在对单个产品的能耗降低，只有较少的公司在研究整体管理系统的成本能耗。宽带码分多址 （wideband code division multiple access，WCDMA）是一种第三代无线通讯技术，技术发展成熟，已经得到广泛的应用，为大家熟悉。Zig－Bee中文名为紫蜂，是一种短距离、低速率、低功耗的无线网络传输技术，是近些年研究比较热门的传输技术，在一些工控、医疗等领域已经得到应用［1］。本文提供了一种基于WCDMA和ZigBee的绿色城市无线节能系统，无线方案省去了大量有线配置的成本，提供了一种新的实时监控能源消耗、环境条件、设备运行的方法。社区是城市的组成元素，本系统以社区为单位进行能源管理。

1 WCDZIG系统介绍

WCDZIG是WCDMA和ZigBee相结合的系统名称，本文采用各自无线系统的前3个字母组成本系统的名称。WCDMA是当前最流行的无线移动网络，ZigBee技术适合短距离低速率的数据传输，两者相结合可以实现整个城市的绿色能源管理。可以省去大量的布线成本，通过二者的有机结合，成本、性能都较有优势。

WCDMA （宽带码分多址）是一个ITU （国际电信联盟）标准，它是从码分多址 （CDMA）演变来的，采用直接序列扩频码分多址 （DS－CDMA）、频分双工 （FDD）方式，与现在市场上通常提供的技术相比，提供更高的数据速率，支持移动、手提设备之间的语音、图象、数据以及视频通信。但其基站价格昂贵，一个基站都在100万左右［2］，这极大限制了他不可以大数量的布置。ZigBee是基于IEEE 802.15.4协议，物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层根据用户的需求，对其进行开发利用。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。我们利用它的自组网、低功率、低成本等特点，与WCDMA结合完成远距离、高复杂度、高数据速率的传送。

2 WCDZIG系统结构

根据两种无线技术的特点，本系统采用三级接点结构，分别是ZigBee端点，ZigBee社区代理接点，和WCDZIG网关。ZigBee终端设备收到一个请求，则将请求数据包发给社区的ZigBee代理服务器，代理服务器将数据传给WCDZIG网关，网关提取ZigBee数据包携带的具体信息重新封包转化为WCDMA数据包携带的数据，通过WCDMA网络，将数据传输给后端能源管理服务器。系统可分为前端社区系统、后端能源管理系统、系统互通模型3个主要部分。城市能源管理系统结构如图1所示。

图1 能源管理系统结构

2.1 前端社区系统

前端社区系统包括在小区中分布的ZigBee插座、Zig－Bee开关、ZigBee温度传感器、ZigBee湿度传感器和Zig－Bee光传感器等，这些组件负责收集小区内的信息和执行后端能源管理系统的命令。

ZigBee节点分为三类，ZigBee协调器、ZigBee路由器［3］、ZigBee端点。本系统根据ZigBee协议，在一个社区组建一个独立的ZigBee网络，其网络PANID从0开始，根据ZigBee网络协议在一个社区内布置一个ZigBee协调器，以ZigBee传感器和设备控制器 （光调节器、灌溉系统控制器等）为端点，然后根据社区地形配置若干ZigBee路由器。在社区内采用ZigBee网格网络布线方式，保证数据的可靠传输，在网格网络下，如果ZigBee节点向协调器发送数据的路径故障，会选择其他路径。ZigBee协调器是整个网络的核心，负责社区数据的接收和处理，一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器，所以一旦ZigBee协调器故障，整个社区系统就会瘫痪，所以本设计采用ZigBee协调器双归属方案。ZigBee协调器双归属方案如图2所示。

图2 ZigBee协调器双归属

ZigBee双归属协调器网络数据配置完全相同，正常状况下主协调器处于ACTIVE状态，备协调器处于STANDBY状态，当主协调器出现故障时，备协调器接管主协调器工作，调整状态为ACTIVE。备协调器接管主协调器采用心跳检测机制，备协调器每隔5S发送检测消息包AIN＿STATE＿REQ给主协调器，主协调器收到后，给备协调器发送响应消息MAIN＿STATE＿RSP，携带当前主协调器的状态信息，包括当前电源电量等信息，用于备协调器判断何时接管主协调器，一旦超过1S，主协调器还未回响应消息，则备协调器继续每隔5S发送状态请求消息3次，如果3次后主协调器仍然不回响应消息，则备协调器认为主协调器故障，将自身状态值为ACTIVE状态，使自身配置的与主协调器完全一致的网络配置数据生效。MAIN＿STATE＿REQ和AIN＿STATE＿REP为本系统设计的一个KEY＿VALUE＿PAIR，非ZigBee标准协议所规定的KEY＿VALUE＿PAIR。

2.2 后端能源管理系统系统

基于WCDMA网络的广泛部署［4］，ZigBee社区代理服务器收集的数据可以通过WCDMA网络传送到远距离的能源管理服务器，一个城市部署一个能源管理服务器就可以了。管理服务器采用B／S架构的模式，该模式具有友好的用户管理界面，管理员可以通过自己的用户名和密码登录方便的查看、设置各个社区的能源消耗值。能源管理服务器控制策略采用当前模糊控制方法，根据社区能源传感器收集的数据，做出控制决策。管理服务器允许用户根据权限直接设置能源消耗量、温度值、湿度值、光感传感器的值，也可以按照预配置的各种传感器和设备运行轨迹来运行。每个社区配置一个ZigBee网络，结合当前WCDMA设施广泛部署的便利条件，该系统可以很经济的部署。

2.3 系统互通模型

ZigBee社区代理服务器和WCDZIG网关是整个系统通信的两个关键组件。社区代理服务器负责收集社区内的能源消耗、温度、湿度等信息，同时接收能源管理服务器给ZigBee插座和开关等设备下发的控制命令。WCDZIG网关负责将社区代理服务器 （ZigBee协调器）的数据［5］和 WCDMA网络的数据做双向转换，起到一个不同网络之间的一个桥接作用。WCDZIG网关一边是ZigBee协议栈，一边是WCDMA协议栈 （本设计采用简化的IP化传输方案），TRANSFER MODULE负责两种数据格式的转换功能。WCDZIG网关组织框图如图3所示。

图3 WCDZIG网关

WCDZIG网关数据转换流程如图4所示。

图4 WCDZIG网关数据转换

TRANSFER MODULE转换模块将ZigBee的数据帧和WCDMA的数据帧互相转换［6］，这里定义ZigBee到 WCDMA网络的转换为上行，从WCDMA到ZigBee网络的转换为下行。上行流程将如下的数据帧作为RRC层的用户消息，通过RRC层的RRC＿DATA＿TRANSFER原语将消息作为负荷进行传输。转换前的帧格式如图5所示［7］。

图5 转换前数据帧

转换封装后的帧格式如图6所示。

图6 转换封装后帧格式

其中 RLC data域为上图中的消息［8］，Payload Type字段BIT7、8值设置为00，表示一个数据块，BIT6、5设置为11，表示上行链路帧号为 （N＋26）模2715648的TDMA帧，S／P设置为0，表示RRBP域无效，USF域设置为111，指示一个时隙下使用8个无线块，TFI域设置为0，指示不使用临时流，PR域用于指示RLC功率级别，设置BIT8、7为00，指示采用低电平 （0－6db）。FBI标志位0，指示非最后一个RLC数据块，BSN域每次发送时累加1。扩展比特E设置为0，表示没有扩展。更多比特M设置为01，表示没有扩展字节。下行帧格式转换与上行相反，不再累述。

WCDZIG网关数据转换部分程序8如下：

本系统的数据流传输过程如图7所示。描述了WCDMA和ZigBee的互通数据流通过程［9］，通过该数据流通过程完成3个功能：能源管理、控制功能和设备管理。该传输流程的三部分应用功能命令可以无差错的传输。

图7 系统数据流传输

3 系统功能介绍

3.1 系统的设备管理 （添加／删除设备过程）

一个ZigBee设备［10］通过向ZigBee ROUTER发送 DEVICE＿JOIN＿REQ命令发起加入网络过程。ZigBee ROUTER将请求消息路由到ZigBee协调器。DEVICE＿JOIN＿REQ命令包含地址信息和ZigBee端点信息 （具体传感器类型等），ZigBee协调器收到请求加入的数据包后，将请求数据包发送到WCDZIG网关，网关将数据包重组，添加网关地址信息，然后通过WCDMA基站将请求消息发送到能源管理服务器。能源管理服务器在设备管理数据库中记录这个设备信息，然后发送响应消息DEVICE＿JOIN＿RSP命令到WCDZIG网关，网关将数据包重组发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器收到响应消息后完成ZigBee网络设备加入流程，且将响应消息发回给新增的设备，新增设备收到响应消息后，ZigBee网络层标示自身状态为已加入网络。反之即是删除设备过程。

3.2 系统能源管理

3.2.1 数据收集流程

能源管理服务器通过轮询的方式向各个社区内布置的ZigBee温度、湿度、光传感器、ZigBee插座、开关等设备实时收集数据［11］。

能源管理服务器发送ENERGY＿COLLECT＿REQ命令给指定社区的WCDZIG网关，网关收到后将请求消息转换成ZigBee协议数据包发送给ZigBee协调器，ZigBee协调器分别发送消息给本社区内配置的ZigBee信息采集设备，ZigBee信息采集设备将各自记录的信息以ENERGY＿CLLECT＿RSP命令响应，依次发送给ZigBee协调器，当ZigBee协调器收集完本网络的所有设备数据后，通过ENERGY＿COLLECT＿RSP消息发送给能源管理服务器。

3.2.2 能源管理控制功能

当WCDZIG系统的能源管理服务器收集完一个社区的各种能源信息后，通过模糊控制方法设计出一个节能策略，模糊控制模型包括三步［12］：模糊化、模糊推理、去模糊化。模糊化是将真实的物理变量描述为自然语言的几个术语，每一个有一个取值范围为0或1的隶属函数；模糊推理这一步通过IF THEN规则语句，将输入信息和输出结论用自然语言表述；去模糊化是将自然语言表述的结论信息转化为真实的物理变量。能源管理系统通过采集数据和下达命令，使设备采用合理的运行规则来运行，从而达到节能效果。具体控制流程如图8所示。

图8 控制命令流程

4 系统性能评估

本文通过C＋＋语言设计了一个仿真模型，用于仿真本系统节能效果。为了评估仿真系统的准确性，首先比较一下仿真系统在未采用WCDZIG时候的能源消耗数据与真实社区消耗数据比较，以确定仿真系统的准确性。通过社区物业获取了某社区某月的能源消耗统计数据，该社区规模中等，总计1200户人口，占地70亩。从中可以看出小区的能源消耗主要分布在4个方面：路灯、供热、灌溉、设备，所以仿真系统设计4个对象，分别模拟这四部分的能源消耗，通过仿真系统计算出一个月的能源仿真结果，将该结果与该社区一个月真实能源消耗比较，如图9所示。

其中供热系统占能源消耗的40%，设备和路灯占20%和25%，灌溉占15%，仿真结果与统计值结果基本相同，差别最大的事灌溉系统，差2%个点，但是灌溉所占比重相对轻些，所以可以认为仿真系统是准确的。

仿真系统采用WCDZIG系统后，仿真值与统计值比较如图10所示。

可见采用WCDZIG系统后，社区路灯能源消耗减少40%，供热消耗减少30%，灌溉能源消耗减少50%，设备能源消耗减少相对少些，也达到了20%。这个结果表明WCDZIG系统综合可以降低一个中等社区能源消耗的30%，就可以较少CO230%，对当前世界节能减排具有重要的意义。

5 结束语

本系统通过设计WCDZIG能源管理系统，节约能源，应对当前能源危机，系统采用WCDMA和ZigBee相结合，提供了一种新的实时监控能源消耗、环境条件、设备运行的方法。无线方案省去了大量有线配置的成本，且利用当前最流行的3G网络WCDMA，节约了无线布网的成本。系统具有较好的扩展性，可以无需干预布置ZigBee设备监控点，也可以进一步研究，增加社区安全监控功能到该系统中，利用当前WCDMA的广泛应用，可以将社区各种信息与智能终端相结合，社区内居民可以实时收到社区中各种信息。

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