苗天扬++师云秋++李伯阳

摘要：阐述了物联网的概念，分析了物联网的组成，提出了基于 Zigbee技术的能源管理系统设计方案，给出了物联网能源管理系统的组成、工作流程及软件系统、硬件系统逻辑结构，描述了利用Python语言平台、Zigbee数据通讯、云计算实现远程能源管理。系统运行结果表明运用物联网技术的能源管理系统稳定可靠，总结了系统的优点，最后展望了物联网的应用价值和技术的发展前景，并指出物联网发展面临的困难。

关键词：物联网；Zigbee；无线；能源管理；云计算

引言

无所不在的物联网通信时代即将来临，物联网被专家及多个国家认为是继互联网浪潮之后的又一次科技革命。不管是 IBM 提出的智慧地球，还是温总理在无锡提出的感知中国，都意味着物联网将是当下最热门最具竞争性的产业。传统的能源管理系统一般需要布设现场总线，然后将现场设备连接到一台电脑进行数据处理并向用户显示界面，当数据量较大时可能需要单独的数据处理服务器，而如果需要实现跨地区的远程管理，更是需要在互联网上架设一台专门的服务器，这样，不仅需要投入服务器等网络设备以及开发相应的服务软件，系统的维护除现场级设备和总线链路外还需要 IT部门的管理员协助维护服务器设备，避免服务器故障而造成损失。因此，将物联网技术引入到远程能源管理系统中来，底层运用无线传感网络连接现场传感器及设备，上层使用托管的云计算服务，消除现场级布线的烦恼，使用云计算的强大能力，又可以消除网络硬件的投入及日常的 IT维护，同时可以轻松实现基于WEB服务的远程管理。由于本文所述的能源管理系统采用Digi公司提供的平台及解决方案，因此，在系统具体实现的设计均按照Digi平台的要求，但这并不影响借鉴和参考此平台和解决方案来讨论物联网的构架、问题，及前景。

1 什么是物联网

1.1 物联网的定义。目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，只是在大体的技术框架上做了一个概念性的表述：通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网就字面意义上理解就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，

1.2 物联网的组成。物联网的结构见下图，它主要由三大块组成：一，包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别，以及传感网络，组成了物联网的底层基础。二，将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术：如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至卫星通讯等，最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力，也都归属在这一层。三，根据客户自身需求，利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。

2 能源管理系统设计

2.1 工作原理。本能源管理系统主要实现对区域内地灯的智能管理，采用基于Digi 公司的 iDigi 解决方案，感知层采用 Zigbee 无线通讯技术。由于 Zigbee网络具有设备成本低、设备体积小、省电、网络自愈能力强等特点，非常适合广泛应用在智能家庭、工业控制、能源管理、医疗监控等物联网领域。网关和传感器、智能电灯开关器组成一个 Zigbee 私域网络，实现相互之间的连接。网关可进行本地逻辑运算，实现本地智能，并通过互联网与基于云计算的 iDigi 平台进行数据交换。用户应用服务程序向 iDigi 平台发送请求，查询并获取 Zigbee 网络中的相关数据，以及向 Zigbee 网络发送数据。而用户，只需要在任何可以接入互联网的地方，使用浏览器访问客户应用即可。

2.2 系统结构

（1）现场采集执行器：由Digi公司的 Xbee 温度和亮度一体传感器完成现场温度和亮度的采集；基于 Digi 公司Xbee 系列模块开发的开关控制器完成对电灯的开、关操作。

（2）本地数据处理：由Digi公司的 CPX4网关读取现场传感器数值，读取开关控制器的各路开关状态，并控制开关。网关中运行的Python程序还可根据条件智能的控制电灯的开关，将本地数据适当处理后，根据需要再将数据上传至 iDigi 云平台。

（3）iDigi云计算平台：由 Digi 公司提供的服务，是一种托管服务。提供数据存储、数据查询、设备管理等功能。iDigi平台存储Zigbee 网关上传的数据，并响应应用服务程序数据查询请求，转发指令请求至网关操作现场开关控制器实现电灯的管理。

（4）应用服务程序：运行于 Google 云技术服务平台，基于 Google App Engine 开发的 web应用程序，具有权限的用户在任何可以接入互联网的地方，使用 Web浏览器登录，即可查看该能源管理系统中的电灯状态，以及环境温度、亮度信息。

2.3 硬件设计

硬件部分除了温度、亮度传感器采用 Digi 公司的 Xbee Sensor 系列传感器，网关采用支持GPRS 和以太网的 ConnectPortX4 产品外，Zigbee 智能开关由基于 Digi 公司的 Xbee 模块进行设计。智能开关中的 Xbee 模块接收来自 Zigbee 网络的控制指令，然后输出数字量 IO 的状态来控制固态继电器的开或关断。

2.4 软件设计

2.4.1 Zigbee 网关软件。所选用网关支持 Python 语言编程，运行于网关上的软件程序使用 Digi 公司的 DIA设备集成应用技术平台。该平台面向对象，可扩展性好，可自行通过扩展设备驱动代码将第三方设备集成进系统。该平台下软件运行方式以加载设备驱动代码的方式进行，对特定设备、特定功能都抽象成设备驱动代码。对电灯控制的功能抽象成一个电灯控制类，该类的控制方法流程图。

2.4.2 应用软件。基于 Google云技术的 App Engine 应用程序引擎，使用 Python 语言开发，发布后可使用appspot.com域上的免费域名来为应用程序提供服务。

3 系统综述

系统的实施过程几乎不需要布线施工，现场采用Zigbee 无线通讯技术，接入互联网后运用云计算技术，又不需要基础设备、不需要 IT 设备维护，使得项目施工工作量减少，施工周期大幅缩短。由于 Google的云计算服务按需收费，从目前系统运行情况看，没有超出 Google App Engine 服务每个月的免费限额，所以目前还不需要为使用 Google 云计算平台付费，而Google 的收费标准也不高。该系统经过几个月的运行，授权用户成员可随时随地查看监控状态信息，以及人为控制电灯状态，一切运行正常，未发生不响应或错误响应等异常现象，证明系统稳定可靠。该系统的稳定运行，说明物联网技术在能源管理系统中可以得到很好的应用，证明该物联网构架解决方案可行、可靠，且具有很强的优势。

4 结束语

物联网技术在此能源管理系统中取得了成功的应用，通过设定一些阈值及条件，电灯可依照亮度传感器的感知数据及夏令、冬令时间自行开关，实现了物物感知、智能控制的效果，而云技术的运用实现了免IT基础设施的用户应用即时发布，彻底消除了 IT 设备采购周期、IT维护等因素的影响。运用物联网技术将使人们的生活更加便捷、更加智能化，物联网技术将会越来越多的被应用，物联网应用也会从目前的局限于一个工厂、一栋楼宇的局域感知型物联网，向大范围、众多不同设备互联的广域感知型物联网发展。但是由于当前物联网技术还没有相关统一的标准体系，且物联网本身的定义还存在争论，因此，全面普及的大范围广域物联网还有许多路要走。

参考文献：

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[3]张莉.Zigbee技术在物联网中的应用[J].电信网技术，2010 年3 月，第3 期.