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

曲燦武，陳雅麗，何 健

（國網(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%，且在傳輸過程中會損失將近8%的電量[1]。目前，電網(wǎng)還存在停電和供電中斷的問題，每年至少造成上千億美元的損失。因此，新一代電網(wǎng)應該解決能源效率和可靠性問題，并更加注重環(huán)保。

電力物聯(lián)網(wǎng)要求電網(wǎng)應增加智能和雙向數(shù)字通信，以解決困擾電網(wǎng)的效率、穩(wěn)定性和靈活性問題。它促進了多種服務，包括大規(guī)模整合可再生能源、快速停電檢測、實時定價反饋給客戶以及涉及住宅和商業(yè)客戶的需求響應計劃。這些都強調(diào)通信基礎設施和數(shù)據(jù)管理的重要性。這些基本成分可實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和分析，同時控制電氣負荷，以降低峰均比和滿足需求響應。

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標準的簡單、低成本、低功耗、短延時、高容量、高安全和低傳輸速率的無線技術(shù)，被大量公用事業(yè)公司首選為智能計量設備的通信平臺。因為它提供了一個用于在智能計量設備和位于客戶駐地的設備之間交換數(shù)據(jù)的標準化平臺，而SEP為需求響應、高級計量支持、實時定價、文本消息傳遞、負荷控制和其他功能提供了支持。

然而，在免許可ISM頻段上運行時，Zigbee受到了來自共享該頻段的各種設備的干擾。這些設備包括IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）或Wi-Fi網(wǎng)絡、藍牙設備、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)絡環(huán)境中的Zigbee和Wi-Fi的共存問題，成為這項工作的主要目的。

電力物聯(lián)網(wǎng)能源監(jiān)控系統(tǒng)利用先進無線技術(shù)進行實時系統(tǒng)監(jiān)控、負載控制和降低、能源效率和樓宇自動化，采用Zigbee作為無線通信基礎設施，用于能源使用監(jiān)測、凈計量和響應需求。

雙向通信用于將Zigbee端節(jié)點讀取的數(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。每個終端節(jié)點能夠通過分布式Zigbee路由節(jié)點將收集的數(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)點發(fā)送控制信號。

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)訪問控制層（MAC），而Zigbee Alliance定義了網(wǎng)絡層和應用層。802.15.4標準規(guī)定了ISM 2.4 GHz、915 MHz和868 MHz頻段以及兩個基于直接序列擴頻（DSSS）的PHY方案的操作[2]。

Zigbee可分為全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。FFD可以執(zhí)行網(wǎng)絡建立、路由和管理，而RFD出于簡單而低成本的目的僅支持ZigBee設備功能的一部分。作為網(wǎng)絡的根源和與其他網(wǎng)絡的橋梁，協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡設置和管理。每個Zigbee網(wǎng)絡只包含一個Zigbee協(xié)調(diào)器。路由器連接在協(xié)調(diào)器和其他節(jié)點之間。路由器和協(xié)調(diào)器可以與網(wǎng)絡上的所有設備通信，并且通常由主電源供電。它們不會進入休眠，因此不會影響通過網(wǎng)絡路由流量的能力。終端設備與路由器不能進行對等通信，往往由電池供電，大部分時間都在休眠模式下。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，傳送測量數(shù)據(jù)，然后返回休眠模式。

ZigBee的目標市場是通用的、廉價的以及自組織的網(wǎng)狀網(wǎng)絡，用于能源管理、家庭自動化、樓宇自動化和工業(yè)自動化。Zigbee智能能源的最終目標是大幅度地激勵人們了解、管理、提升自動化程度，并提高能源效率來促進社會變革。

2.2 Wi-Fi/IEEE 802.11b

IEEE 802.11標準規(guī)定了Wi-Fi的PHY層和MAC層。它在ISM 2.4 GHz頻段中定義了13個重疊的22 MHz寬頻率信道。只有2組3個不重疊的頻道：美國的1、6和11信道，歐洲的1、7和13信道[3]。IEEE 802.11b有幾個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標準中定義的相同的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標準使用Barker編碼和補碼鍵控（CCK）作為其調(diào)制技術(shù)。與原始標準相比，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，數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mb/s；91.44 m時，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，因為只有少數(shù)可能會嚴重影響ZigBee的性能。在理論上研究ZigBee在Wi-Fi和藍牙下的性能，結(jié)果表明Wi-Fi比藍牙的干擾要大得多。Zigbee和IEEE 802.11g之間的相互作用在吞吐量方面進行了經(jīng)驗性評估，結(jié)果表明Zigbee不會顯著影響IEEE 802.11g。然而，當所選擇的操作信道的頻譜一致時，IEEE 802.11g對Zigbee吞吐量的影響是顯著的。使用頻率也是評估不同干擾程度的一個關(guān)鍵因素。大多數(shù)干擾都是由于IEEE 802.11發(fā)射機在住宅和公共環(huán)境中的廣泛使用引起的。3個Wi-Fi信道幾乎覆蓋了Zigbee的整個頻譜，更重要的是，Wi-Fi信號幾乎比ZigBee信號強100倍。

為了減輕Wi-Fi引起的干擾，Zigbee標準在協(xié)議中增加了相應的功能。直接序列擴頻（DSSS）是一種“擴展頻譜”，其擴展信號比調(diào)制的信息信號占據(jù)更多的帶寬。由于寬帶寬，它可以與窄帶信號共存，略有降低用于擴展頻譜的頻譜上的信噪比。在MAC子層中使用載波偵聽多路訪問/避免沖突（CSMA/CA）。CSMA采用監(jiān)聽策略，所以用戶在信道閑置前不會發(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可以自動構(gòu)建單個集群網(wǎng)絡或潛在較大的簇樹網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡基本上是自組織的，支持網(wǎng)絡冗余，能夠達到一定程度的容錯性和自愈性。

雖然在ZigBee中使用了許多干擾緩解技術(shù)，但干擾問題仍然被認為是有爭議的。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的共存問題是一項值得努力的工作。

3 Zigbee在Wi-Fi下的性能分析

誤碼率（BER）和分組錯誤率（PER）是評估數(shù)字通信技術(shù)的魯棒性和可靠性的兩個關(guān)鍵參數(shù)[2]。它們被定義為傳輸系統(tǒng)中錯誤發(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ZigBee信道與Wi-Fi信道重疊時，可以考慮將Wi-Fi信號作為ZigBee信號的部分頻段干擾噪聲，將信噪比替換為信號與干擾加噪聲比（SINR），定義為：

其中，Ps是Zigbee接收機所需信號的功率，Pn是噪聲功率，Pi是來自Zigbee接收機的Wi-Fi信號的接收干擾功率。

路徑損耗模型表示發(fā)射機和接收機之間的功率損耗，因此可以與傳輸功率一起使用，以實現(xiàn)Ps和Pi的計算。考慮到Zigbee和Wi-Fi在室內(nèi)環(huán)境中的應用最為廣泛，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設備能夠檢測到干擾，找到“安全通道”，并將整個個人區(qū)域網(wǎng)絡遷移到一個清晰的通道，其性能將得到顯著改善。解決方案需要對現(xiàn)有的IEEE 802.15.4標準作微小調(diào)整，也可以通過軟件升級實施。此外，任何提議的解決方案必須簡單、節(jié)能。考慮到這些因素，對結(jié)合星形和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的IEEE 802.15.4簇樹網(wǎng)絡來說，頻率捷變算法是完美的選擇，旨在實現(xiàn)高可靠性、高可擴展性和高能效。

該方案的主要內(nèi)容是干擾檢測和干擾抑制[3]。每個發(fā)送方節(jié)點定期測量其PER，如果PER超過某個閾值，則發(fā)送方將向其父路由器發(fā)送鏈路質(zhì)量指示符（LQI）報告。如果LQI低于一定值，則協(xié)調(diào)器指示個人區(qū)域網(wǎng)絡中的所有路由器對可用信道進行干擾檢測。通過在Zigbee協(xié)議中定義的能量檢測（ED）掃描來實現(xiàn)干擾檢測，并且基于來自所有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個人區(qū)域網(wǎng)絡占用的信道。最后是將所有個人區(qū)域網(wǎng)絡設備遷移到這個“安全”信道。

在干擾非常嚴重、終端設備不能成功向路由器報告的特定情況下，由于路由器周期性地監(jiān)控自身與其所有子節(jié)點之間的鏈路LQI，因此路由器仍然可以檢測到干擾。如果LQI在多個周期內(nèi)相當?shù)停衣酚善鳑]有在配置的規(guī)定期限內(nèi)收到來自其子節(jié)點的任何消息，路由器會自動執(zhí)行能量檢測掃描，并將結(jié)果報告給協(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)視和遠程控制家庭、建筑物和工廠中的數(shù)據(jù)和設備。但是，它與Wi-Fi網(wǎng)絡共享相同的免許可頻段，于是文章對Wi-Fi干擾下的Zigbee性能進行了全面評估。使用數(shù)值分析和經(jīng)驗分析證實，Zigbee可能會受到Wi-Fi的嚴重影響，且可以識別“安全距離”和“安全偏移頻率”以指導Zigbee部署。一般來說，當Wi-Fi干擾不顯著時，Zigbee能提供令人滿意的性能。而當Wi-Fi干擾很顯著時，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)服務來提高Zigbee的性能，從而為Zigbee與Wi-Fi網(wǎng)絡共存提供穩(wěn)健可靠的服務。