Автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов на базе беспроводной технологии ZIGBEE

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования 
 
 
 

О Т Ч  Е Т

по преддипломной  практике по теме

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ  СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УЧЁТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА БАЗЕ БЕСПРОВОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ZIGBEE 
 
 
 

 

Реферат 

     Отчёт по преддипломной практике 29 с., 8 рис., 1 табл., 10 ист.

     СИСТЕМА УЧЁТА ЭНЕРГОРЕСУРСОВ, ДИСТАНЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ, БЕСПРОВОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ZIGBEE, СЕТЬ, МОДЕМ, СХЕМА, УПРАВЛЕНИЕ.

     Цель  работы – исследовать вопросы разработки автоматизированной системы контроля и учёта энергоресурсов на базе беспроводной технологии ZigBee.

     В работе приведён обзор технологии ZigBee, выявлены достоинства её использования для построения автоматизированной системы контроля и учёта энергоресурсов. На базе этой технологи разработана архитектура и состав АСКУЭ для ЖКХ, разработан алгоритм её работы, подобрана элементная база.

     Внедрение системы учета коммунальных телеметрических  данных на базе беспроводной технологии позволит службам жилищно-коммунального хозяйства создать налаженный коммерческий и технический учет, локализовать потери электроэнергии при передаче ее абонентам и получить картину работы каждого объекта в режиме реального времени.

       Пояснительная записка выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2003.

 

Федеральное агентство по образованию

ЗАДАНИЕ

на преддипломную  практику 

1. Тема работы: Автоматизированная система контроля и учёта энергоресурсов на базе беспроводной технологии ZigBee
2. Цель работы: разработать для ЖКХ автоматизированную систему контроля и учёта энергоресурсов (АСКУЭ) с возможностью дистанционного снятия показаний счетчиков
3. Перечень подлежащих исследованию вопросов:
• беспроводная технология ZigBee, её особенности и преимущества;
• аппаратные решения для построения сетей ZigBee;
• на базе технологии ZigBee разработать схему АСКУЭ;
• выбрать элементную базу;
• разработать алгоритм работы системы.

Содержание

 
 
 
 
 
 
 

     1 Введение 

     Реформирование  жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) порождает необходимость в комплексных автоматизированных системах учета всех энергоресурсов (газ, электроэнергия, холодная и горячая вода, тепло), поставляемых жильцам квартир [1]. Растет интерес и самих квартиросъемщиков к учету потребляемых энергоресурсов. Коммерческому квартирному и домовому учету потребления энергоресурсов в последнее время уделяется повышенное внимание [2].

     Жилищно-коммунальная сфера (ЖКХ) в настоящее время  является одной из областей жизни российских граждан, в которой происходят кардинальные преобразования на основе современных информационных технологий. Именно информационные системы являются инструментом, который позволяет собирать данные для расчета инвестиционных планов, адекватно оценивать уровень потребления и выявлять реальные потери энергии при доставке потребителю.

     Проблему  регулирования расхода коммунальных ресурсов можно решить только путем  модернизации существующих систем учета, создания автоматизированной системы  контроля и учёта энергоресурсов (АСКУЭ) с возможностью дистанционного снятия показаний счетчиков [3].

     Внедрение АСКУЭ выгодно как потребителям так и компаниям-поставщикам энергоресурсов. Зачастую сами рядовые потребители заинтересованы в том, чтобы счет за электроэнергию приходил также как за аренду жилья и другие услуги. При этом с потребителя снимаются обязанности списывания показаний с электросчетчика и неудобства, связанные с приходом контролера, а в скором времени все счета можно будет оплатить, не выходя из дома через Интернет. Компания-поставщик электроэнергии также имеет выгоды: информация о потреблённой электроэнергии регулярно обновляется, появляется возможность выявлять “проблемных” потребителей в автоматизированном режиме и оперативно дистанционно ограничивать поставку неоплачиваемой электроэнергии, а так же снизить собственные расходы на содержание штата ревизоров (котролеров).

     В работе представлен способ реализации АСКУЭ на базе беспроводной технологии ZigBee.

     Внедрение системы учета коммунальных телеметрических данных на базе беспроводной технологии позволит службам жилищно-коммунального хозяйства создать налаженный коммерческий и технический учет, локализовать потери электроэнергии при передаче ее абонентам и получить картину работы каждого объекта в режиме реального времени.

     Система автоматического сбора данных использует международный стандарт по сенсорным беспроводным сетям – ZigBee, в который изначально заложены возможность ретрансляции сообщений между узлами и режимы, обеспечивающие низкое энергопотребление.

     Как показано в [1] оправданность использования именно такой беспроводной технологии обусловлена тем, что: “При количестве 50 000 домов в городе и использовании технологии Wi-Fi энергопотребление такого города выросло бы на 3,3 мегаватта. При использовании ZigBee с передатчиками мощностью до 1 мВт и циклом работы в 0,1 % от общего времени потребление выросло бы всего на 150 Вт!”.

     Согласно  оценкам экспертов рынка по экономической выгоде для потребителей от эксплуатации подобной системы учета ресурсов [1]:

• снижение эксплуатационных расходов составит до 30%;
• снижение платежей за электроэнергию до 30%;
• снижение платежей за воду до 41%;
• снижение платежей за тепло до 50%.

 
 
 

     2 Беспроводные технологии 

     Существующие  беспроводные решения обеспечивают ощутимые преимущества в системах управления жилищным комплексом [4, 5].

     По  сравнению с проводной технологией, основными преимуществами беспроводных решений являются быстрая и удобная  установка, низкие затраты и мобильность  персонала, обслуживающего системы. Установка производится гораздо быстрее, т. к. здесь нет необходимости протягивать провода и устанавливать кабельные каналы. По сравнению с проводными устройствами, экономия затрат на установку беспроводных устройств может варьироваться в большом диапазоне, т. к. на нее оказывают значительное влияние тип и длина необходимых проводов, а также удобство прокладки проводов (например, прокладка в новом или в реконструируемом здании).

     Отказ от проводов сводит также к минимуму строительные работы в помещениях с людьми, что особенно важно при реконструкции, протекающей в рабочее время. Беспроводная технология предоставляет также свободу передвижения в здании и дает ему возможность не быть привязанным к рабочей станции или терминалу.

     Легче производится реконфигурация системы, так как беспроводные модули могут устанавливаться почти в любом месте. Существует множество ситуаций, особенно при реконструкции, когда прокладка проводов очень дорогая, например, при прокладке в бетонных конструкциях, или невозможна, например, в стеклянных или мраморных стенах или на дорогостоящих поверхностях, которые нельзя повредить.

     Среди современных беспроводных технологий можно выделить: инфракрасную технологию, Bluetooth, Wi-Fi и ZigBee.

     Недостатки  инфракрасного канала связи: малые расстояния, необходимость прямой видимости между модулями, а также значительный ток потребления. 

     Устройства Bluetooth и Wi-Fi, даже миниатюрные, обладают на порядок большим энергопотреблением, чем устройства на основе ZigBee, способные годами работать от одной батарейки-«таблетки» напряжением 3 вольта [9].

     Как показано в [1] при количестве 50 000 домов в городе и использовании технологии Wi-Fi энергопотребление такого города выросло бы на 3,3 мегаватта. При использовании ZigBee с передатчиками мощностью до 1 мВт и циклом работы в 0,1 % от общего времени потребление выросло бы всего на 150 Вт! Преимущество использования ZigBee очевидно.

     Технология  реализации беспроводных сетей на основе спецификации ZigBee и стандарта IEEE 802.15.4 заняла нишу радиоинтерфейсов для низкоскоростных приложений с крайне малым энергопотреблением [6].

     Применение  технологии ZigBee позволяет разрабатывать беспроводные системы с минимальными затратами благодаря простоте схемотехники, минимальному количеству внешних пассивных элементов, использованию готового программного обеспечения стека малых объемов. Стандарт позволяет создавать сети с многоячейковой топологией, обслуживать таким образом очень большое число узлов и увеличивать дальность связи без дополнительных затрат на усилители мощности [6].

     При применении 64-разрядной адресации в единую сеть могут быть объединены свыше 60 тысяч ZigBee-устройств.

     Технология ZigBee - это набор протоколов и расширений к международному стандарту IEEE 802.15.4, реализация которых обеспечивает информационную совместимость устройств различных производителей выполняющих низкоскоростной обмен данными по радиоканалу на небольшие растояния.

     Спецификация ZigBee предусматривает передачу информации в радиусе нескольких десятков метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Максимальная скорость передачи данных для этих эфирных диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с. Доступ к каналу осуществляется по контролю несущей, то есть устройство сначала проверяет, не занят ли эфир, и только после этого начинает передачу.

     Наибольшие  скорости передачи данных и наивысшая  помехоустойчивость достигаются в  диапазоне 2,4 ГГц, поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

     Радиус  охвата устройств Zigbee зависит от очень  многих параметров, но в первую очередь - от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети Zigbee измеряется сотнями метров, а в помещении - десятками метров. При этом следует помнить, что зона покрытия ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, т.к. за счет ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети [7].

     Кроме того, ZigBee-оборудование может использовать в качестве туннеля для трафика  каналы устройств Wi-Fi или Bluetooth, естественно, если они находятся в зоне видимости.

     Максимально снизить энергопотребление устройств, задействованных в беспроводной сети ZigBee, позволяет регламент работы составляющих её абонентов, при котором  большую часть времени они  находятся в спящем режиме, лишь изредка прослушивая эфир. Поэтому одной небольшой батарейки типоразмера AAA должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования с усреднёнными характеристиками в течение нескольких лет [6].

     К достоинствам технологии ZigBee следует  отнести хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. Это так, поскольку ZigBee-устройства при включении питания благодаря специальному алгоритму, реализуемому встроенным программным обеспечением, умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов умеют устанавливать новые маршруты для передачи сообщений. Поэтому сети ZigBee называют самоорганизующимися и самовосстанавливающимися сетями [7].

     Ячеистая  структура сети ZigBee показана на рисунке 2.1. Она включает три типа узлов: координатор, маршрутизаторы и конечные узлы (спящие и мобильные). 

 

Рисунок 2.1 – Топология беспроводной сети ZigBee 

     Уникальной  функцией координатора является задача образования сети, которая заключается  в сканировании эфира и выборе наименее загруженного частотного канала.

     Маршрутизаторы  в простейшем случае должны иметь  стационарное питание и стационарное положение в пространстве. Они ретранслируют пакеты данных от других узлов и сами могут быть источниками информации.