基于ZigBee的窄帶電力線(xiàn)通信中繼器的設計

摘要：在介紹窄帶電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的基礎上，提出了一種基于ZigBee的中繼器設計方案。該中繼器利用ZigBee作為電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的中繼器的物理層，從而可有效改善電力線(xiàn)通信節點(diǎn)在受限環(huán)境下傳輸的條件，擴展電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍。
關(guān)鍵詞：中繼器；ZigBee；電力線(xiàn)通信

電力線(xiàn)通信技術(shù)(PLC)是采用電力線(xiàn)傳送信息的一種通信方式。該技術(shù)將載有信息的高頻信號加載到電力線(xiàn)上，利用電力線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，通過(guò)專(zhuān)用的電力線(xiàn)調制解調器將高頻信號從電力線(xiàn)上分離出來(lái)，傳送到終端設備。
從占用頻率帶寬的角度來(lái)看，電力線(xiàn)通信可分為窄帶PLC(NB-PLC)和寬帶PLC(BB-PLC)。窄帶PLC的載波頻率范圍，在不同國家、不同地區是不一樣的，美國為50～450kHz，歐洲為3～149．5kHz (95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于戶(hù)內In-Housee通信)，中國為40～500kHz。
窄帶電力線(xiàn)通信是智能電網(wǎng)的第一選擇。建立雙向、集成、實(shí)時(shí)的通信系統是實(shí)現智能電網(wǎng)的基礎，沒(méi)有這樣的通信系統任何智能電網(wǎng)的特征都無(wú)法實(shí)現。因為智能電網(wǎng)的數據獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統支持，因此建立這樣的通信系統是邁向智能電網(wǎng)的第一步。同時(shí)通信系統和電網(wǎng)一樣深入到干家萬(wàn)戶(hù)，這樣就形成了兩張緊密聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò )——電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò )，只有這樣才能實(shí)現智能電網(wǎng)的目標。
電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)覆蓋面廣、傳輸節點(diǎn)多的網(wǎng)絡(luò )，這意味著(zhù)任何帶電終端都可以成為信息傳輸的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
但是，電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )同樣存在局限性。盡管擁有最廣泛的布線(xiàn)基礎設施，電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )可以依靠電力網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，但是，空氣開(kāi)關(guān)、變壓器等電力網(wǎng)絡(luò )中的同定設施的不同濾波特性會(huì )對電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )造成衰減，甚至阻斷。此外，對不方便進(jìn)行電力線(xiàn)布線(xiàn)的室外，或者其它特殊區域，電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )無(wú)法經(jīng)由電力網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。我們在本文中所設計的基于ZigBee的窄帶電力線(xiàn)通信中繼器，可以有效的進(jìn)行對分隔狀態(tài)的電力網(wǎng)絡(luò )的連接，同時(shí)利用ZigBee技術(shù)，也擴展了電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍。

1 ZigBee技術(shù)
Zigbee是基于IEEE 802．15．4標準的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳Zigzag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現新的食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的名稱(chēng)。ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“HomeRFLite”。
ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802．15．4協(xié)議，ZigBee的物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4協(xié)議的物理層和MAC層。
ZigBee優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)：
①低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。這是ZigBee-的突出優(yōu)勢，而相同條件下，藍牙能工作數周、WiFi只可工作數小時(shí)。
②低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍牙的1／10)，降低了對通信控制器的要求。按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專(zhuān)利費。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。
③低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2．4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數據的應用需求。
④近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離，如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
⑤短時(shí)延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30ms，進(jìn)一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。
⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無(wú)安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱(chēng)密碼。
⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻存工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段，2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz (歐洲)。

2 PLC中繼器的硬件設計
PLC中繼器應用場(chǎng)景框圖如圖1所示：