基于ZigBee的電力線(xiàn)通信中繼器設計方案

　　0 引言

　　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)：

　?、俚凸?。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)。

　?、诘统杀?。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。

　?、鄣退俾?。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。

　?、芙嚯x。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。

　?、荻虝r(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.

　?、薷呷萘?。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)。

　?、吒甙踩?。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。

　?、嗝鈭陶疹l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：

　　中繼器鏈接在電力網(wǎng)絡(luò )和ZigBee網(wǎng)絡(luò )之間，轉發(fā)不同網(wǎng)絡(luò )之間的數據信息。

　　PLC中繼器的硬件架構框圖如圖2所示：

　　PLC中繼器的核心模塊為主控制處理器和ZigBee模塊、中繼器的主控制處理器是意法半導體公司生產(chǎn)的ST7590芯片。它帶有8051內核，可以提供中繼器基本的控制支持；它還帶有SPI/USART接口，支持對外設的擴展。最重要的是，它還自帶了支持PRIME協(xié)議的物理層/MAC層DSP處理芯片，以及電力線(xiàn)通信的模擬前端，使得ST7590非常具有可操作性，來(lái)滿(mǎn)足智能電網(wǎng)的通信要求。它提供一個(gè)具有靈活性、可擴展性及未來(lái)性的電力線(xiàn)通信平臺，可輕松適應各類(lèi)智能電網(wǎng)的應剛需求和協(xié)議標準。

　　ZigBee模塊采用的是德州儀器公司生產(chǎn)的CC2520芯片。CC2520是TI（德州儀器）的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4射頻收發(fā)器，工作于2.4 GHz頻段。該芯片可以提供最先進(jìn)的工業(yè)級應用，優(yōu)越的鏈路估計，可以存-40Ω~125攝氏度下工作此外，CC2520提供了廣泛的的硬件處理技術(shù)，支持幀處理、數據緩沖、突發(fā)傳輸、數據加密、數據驗證、信道評估、鏈路質(zhì)量指示和幀定時(shí)信息這些功能，減輕了主機控制器的負荷。存一個(gè)典型的系統中，CC2520將與ST7590一起完成中繼操作。CC2520與ST7590的接口圖如圖3所示。

　　我們使用ST7590的SPI通道與CC2520進(jìn)行通信。CC2520的SCLK端口與 ST7590的SPICLK0相連，作為SPI的時(shí)鐘信號。CC2520的SO端口與ST7590的SPIMIS00相連，CC2520的SI信號與 ST7590的SPIMIS10相連，CC2520的CSn與ST7590的nSS0相連，SCLK、SO、SI與CSn端口共同完成CC2520和 ST7590的SPI通信。CC2520的VREG_EN是CC2520的電源自檢端口，與ST7590的GPI06相連，用來(lái)進(jìn)行CC2520的啟動(dòng)確認。CC2520的GPIO0~GPIO5與ST7590的GPIO0~GPIO5相連，為ST7590的GPIO0~GPIO5提供中斷源。

　　3 PLC中繼器的軟件設計

　　存硬件架構的基礎上，我們進(jìn)行了PLC中繼器的軟件設計。

　　在系統啟動(dòng)時(shí)，ST7590首先對控制器和CC2520等硬件驅動(dòng)進(jìn)行初始化操作。初始化成功后，指示模塊燈亮，隨后ST7590和CC2520進(jìn)入各自的網(wǎng)絡(luò )監聽(tīng)任務(wù)。

　　中繼器的核心任務(wù)是不同協(xié)議的數據包轉發(fā)功能，也就是ZigBee協(xié)議數據包的封裝和解封裝實(shí)現。如圖4所示。

　　首先，我們要定義兩個(gè)中繼器的ZigBee節點(diǎn)MAC層報頭配置。

　　其中，plc_destAddr、plc_srcAddr、plc_panld是本地ZigBee網(wǎng)絡(luò )的目的節點(diǎn)地址、源節點(diǎn)地址和子網(wǎng)ID.

　?。?）PRIME->ZigBee實(shí)現

　　PRIME->ZigBee的實(shí)現框圖如圖5所示：

　?、佼擲T7590從電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中監聽(tīng)到數據包data后，得到數據包的長(cháng)度L，所以ZigBee數據包的長(cháng)度為L(cháng)_ZigBee=L+12;將L_ZigBee放入ZigBee的MAC層報頭，將data放入ZigBee的MAC層負載。

　?、吲袛郈C2520是否有任務(wù)，等待空閑后，判斷信道競爭機制CSMA/CA，等待信道空閑，ST7590通過(guò)SPI總線(xiàn)控制CC2520向目的節點(diǎn)發(fā)送ZigBee數據包。

　?。?）ZigBee->PRIME實(shí)現

　　ZigBee->PRIME的實(shí)現如圖6所示。

　?、佼擟C2520收到ZigBee數據包后，首先根據ZigBee的MAC層數據，判斷是否重傳包，進(jìn)行重傳操作，或者進(jìn)行ZigBee向PRIME的轉發(fā)。

　?、谌绻荶igBee向PRIME的轉發(fā)，判斷信道競爭機制CSMA/CA，等待信道空閑，首先向剛才的ZigBee節點(diǎn)發(fā)送確認幀。

　?、劢夥庋bZigBee數據包，將ZigBee的MAC層負載傳輸給PRIME協(xié)議，進(jìn)行電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸。

　　為了避免兩個(gè)過(guò)程同時(shí)搶占硬件和軟件資源，我們在中斷中優(yōu)先選擇較為慢速的電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的數據收發(fā)。

　　通過(guò)（1）過(guò)程和（2）過(guò)程的交互，PLC中繼器完成了ZigBee網(wǎng)絡(luò )和電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的數據交換。

　　4 結束語(yǔ)

　　作為繼IT革命后的下一代技術(shù)革命，智能電網(wǎng)搭建了能源產(chǎn)業(yè)鏈和新興通信系統的未來(lái)發(fā)展必經(jīng)之路。目前，處于全球萎縮狀態(tài)的不儀僅是能源的供給，還有金融市場(chǎng)的暗流涌動(dòng)，世界各國都將發(fā)展智能電網(wǎng)提升到首要的戰略地位。而作為智能電網(wǎng)的核心傳輸網(wǎng)絡(luò )，電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的作用將會(huì )越來(lái)越成重要，成為民生生活不可或缺的一部分。

　　本文嘗試把未來(lái)有線(xiàn)通信的代表--電力線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )和短距離無(wú)線(xiàn)通信的代表--ZigBee相結合，所提出的基于ZigBee的 電力線(xiàn)通信中繼器的設計方案，將無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)勢彌補到電力線(xiàn)通信的不足中，希望可以用這樣的一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )形式，為電力線(xiàn)通信的創(chuàng )新應用打下可行性的基礎。