智能网络环境中Zigbee技术的应用与开发外文翻译资料
2022-12-24 16:33:30
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智能网络环境中Zigbee技术的应用与开发
Sheng-Fa Chang1, Chi-Feng Chen1, Jyh-Horng Wen1, Jih-Hsin Liu1, Jun-Hong Weng1,Jian-Li Dong2
台湾东海大学电气工程系
台湾经济部标准局计量检验局
Email: g02360024@thu.edu.tw
摘要：未来几年，家庭能源管理系统趋势智能化将越来越明显。从近几年的应用和发展来看，蓝牙和Zigbee是业界最为看好的。 在这两种技术中，Zigbee支持低成本和更多的节点数量，并且其功耗低，必将成为智能家居技术的主要通信方式。 由于Zigbee SEP2.0规范支持多种网络技术特性，所以产品可以与多种通信方式兼容。也可与家庭网络连接，实现家庭自动化的需求，促进无线应用功能最大化。
关键字：电磁兼容性（EMC），Homeplug，智能网络，Zigbee
一．简介
在现代社会，互联网是水电等生活中的重要元素。 随着技术的发展，人们不再仅仅使用计算机的互联设备。家用电器，医疗器械，手表等设备也需要互连，这些都是通过短距离无线传输技术实现的。其他常见技术有红外线，蓝牙，ZigBee，射频识别（RFID）和近场通信（NFC）。
随着信息技术时代的到来和消费者对高质量和可靠性的需求，电力消耗也在增加。同时，利用自然资源和环境的压力也在迅速增加。智能网络是结合物理电力系统和信息系统的系统，连接到各种设备以形成信息平台。智能网络可能会在通信，分布式系统，高级计量，自动化存储，智能家居网络的可靠性上大大提高，降低能源消耗和资源浪费。
随着智能网络的到来，消费者可以减少家庭电力成本和能源消耗。为此，提出了一些相关技术[1] - [8]。 在住宅区采用能源管理系统，智能家居设备得到广泛应用。 然而，对于目前设备状况，我们需要在每个家庭中添加数据处理器和无线数据收发器设备。数据处理器可以分析接收的数据收发器并允许设备的适当的操作。例如，一些智能空调可以与平板电脑或手机互连，并可由用户控制。如果每个家庭设备可以相互连接，每个用户将能够集中控制设备并降低能耗，从而实现智能家居的目标。
2.智能网络和Zigbee SEP2.0
2.1 智能网络驱动
智能网络解决方案的主要市场动力是[9]：
bull;需要更多的精力。
bull;增加可再生能源的使用量。
bull;可持续发展。
bull;竞争力的能源价格。
bull;供应安全。
bull;老龄化基础设施和劳动力。
公用事业必须掌握以下挑战：
bull;大功率系统负载。
bull;增加发电和负载之间的距离。
bull;波动可再生。
bull;新装载（混合动力/电动汽车）。
bull;增加使用分布式能源资源。
bull;成本压力。
bull;效用分解。
bull;增加能源交易。
bull;消费者的透明消费和定价。
bull;重大监管推动。
Smart Energy Profile 2.0 [10]可以满足邻里区域网络和家庭区域网络的功能要求，并提供家庭自动化控制，高级抄表系统（高级计量基础设施，AMI）和智能计量系统（智能计量）应用，如 如图1所示。
随着SEP2.0标准化的发展，已经被证明与多种网络技术相兼容。 这个SEP2.0在美国迅速发展。为推动智能网络标准化机构（国家标准技术研究所和NIST），并制定住宅用电器的无线通信标准，2009年完成了标准的美国智能网络互操作性标准框架（初始智能网络互操作性标准框架），版本1.0为 用于下一代网络计划。
图1.智能网络架构。
2.2 Zigbee Smart Energy Profile 2.0功能
Smart Energy Profile 2.0（SEP2.0）采用IPv6架构，通信技术实体的使用将不再局限于IEEE 802.15.4。它也支持IEEE 802.11。 电力线技术如图2所示，是网络管理发展的突破，原有设备数量和传输速度的问题，有效的电力系统和能源使用在串联结束，智能化达到了电力系统控制功能规划。
SEP2.0支持各种网络（如无线局域网（Wi-Fi）和电力线通信（PLC）等）相同的物理层规范，并可与每个标准协议进行通信，进一步拓展智能网络控制。每层的功能描述如图3所示。
链接层：
SEP2.0设计用于任何Link层技术，具有以下特点：
1）支持所有可能的物理层，例如IEEE 802.15.4，802.11系列，802.3系列，HomePlug和IEEE P1901。
2）支持ESI中的无线通信。
3）支持有线家庭网络（Home Area Network，Han）和无线家庭网络桥接，并保持两种不同的网络兼容性。
4）在能源服务接口（能源服务接口，ESI）中，支持HomePlug IEEE802.15.4和物理层接口。
适应层：
SEP2.0被设计为在IP网络上运行。因此，除了某些特定的网络环境之外，它应该能够在任何底层网络上运行，以便实现更高的效率、性能或可靠性。由于操作性原因，对层结构的适应必须具有一致性。
图2. Zigbee SEP2.0通信层架构
图3. Zigbee SEP 2.0通讯模式。
1）要在802.15.4上运行，必须使用6LoWPAN架构（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks）。
2）要在电力线网络上运行的前提是可以运行IEEE 802.2和IPv6架构。
3）除了两个或多个网络，在其余网络上运行，它必须符合PHY层中定义的MAC IETF规定的RFC4919标准。
网络层：
SEP2.0必须用于IPv6网络层网络通信。SEP2.0必须支持IPv6架构（架构包括地址，地址自动配置，邻居发现功能）。
传输层：
SEP2.0支持HTTP，它还支持使用传输层UDP（用户数据报协议）和TCP（传输控制协议）。
应用层：
SEP2.0功能的业务目标技术要求需要基本设置。建议服务设备具有此功能。配套技术要求是针对业务目标的技术要求，它细分为提供管理能力所需的智能能源标准运行环境。 以下部分说明这两部分功能及其功能的含义。
3.Zigbee SEP 2.0的应用
Zigbee应用于环境监测，工业自动化等自动化和控制的早期发展。全球气候异常，能源消耗减少，人口老龄化等问题促使家庭自动化（智能家居）和智能网的发展等应用越来越重要。
ZigBee联盟实现能源管理，希望制定相关产品的制造商的规格标准，如仪表（智能仪表），家庭能源监控（家庭显示），负载控制器（负载控制器）和能源网关 （网关），所以他们可以建立联系。 与SEP 1.0相比，SEP 2.0支持更广泛的层次，例如使用IPv6架构，支持IEEE 802.11（Wi-Fi），电力线（PLC）和其他通信技术，以促进与电力系统连接的设备中的能源消耗。
从应用的角度来看，短距离无线传输技术的发展不仅是消费者的趋势，而且也是医疗、穿戴式设备、移动支付以及终端几乎每个智能移动设备的趋势。为了增加价值，这些用于消费者使用的前端设备可能需要多于一种的无线技术。此外，还考虑了尺寸，功耗和制造成本等因素。因此，在单芯片中集成各种无线通信技术已逐渐普及。
4.EMC在智能网络中应用
智能网络中的电磁兼容性（EMC）非常重要。 参考基本的EMC标准，它具有详细的测量和测试方法。EMC通用标准规定了有限数量的基本排放和抗扰度测试，以及最低水平的测试，目的是确保兼容性的技术和经济考虑的良好平衡。
智能网络的关键在于它具有“双向通信”功能;。电力公司使用远程监控系统，了解全国各地的电气条件和部署电力。用户还可以跟踪电力状况，进一步规范电力消耗，实现节能和节省金钱的效果。
智能网络的基本结构是高级计量基础设施（Advanced Metering Infrastructure，AMI），这是一个非常重要的部分。AMI是智能仪表，双向通信网络和信息分析管理与控制软件，电气安全保护机制和自动抄表控制中心。国内业界正在积极拓展使用智能网络架构的产品，而在国外需要进行测试来说明当前使用状况。同时，也有智能网络相关设备制造商在能源行业提供卓越的EMC测试。
服务包括应用于各种电子产品的智能网络，如仪表智能，电信设备，工厂内使用的信息技术设备，无线（RF）设备等。
5.结论
近年来，智能网络已经普及，未来的应用将是便携式电子设备控制智能家居的时代。如果结合Zigbee SEP2.0标准化功能来支持多种网络技术，并采用EMC电磁干扰和电磁兼容，该产品将具有与各种通信兼容的特性，从而实现家庭网络和家庭自动化的功能需求。
致谢
作者要感谢BSMI（标准，计量和检验局）的研究小组的技术支持。 这项工作由BSMI根据合同号1D151031201-117，台湾BSMI授予。
参考文献
[1] Zhao, Z., Lee, W.C., Shin, Y. and Song, K. (2013) An Optimal Power Scheduling Method for Demand Response in Home Energy Management System. IEEE Transactions on Smart Grid, 4, 1391-1400. http://dx.doi.org/10.1109/TSG.2013.2251018
[2] White, C.B. (2012) Critical EMC Test Issues Needing Early Resolution. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Pittsburgh, 6-10 August 2012, 127-131. http://dx.doi.org/10.1109/ISEMC.2012.6351797
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[4] Keebler, P. (2012) Meshing Power Quality and Electromagnetic Compatibility for Tomorrowrsquo;s Smart Grid. IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, 1, 100-103. http://dx.doi.org/10.1109/MEMC.2012.6244982
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[7] Maas, J. (2012) Smart Grid and Electrostatic Discharge: Cause for New Concerns? International Symposi
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