基于Zigbee的自動(dòng)抄表系統設計

　　水表、氣表和電表的抄表工作正在向遙控和自動(dòng)化方向發(fā)展，這一趨勢獲得了計量表生產(chǎn)商和能源配送相關(guān)服務(wù)商的積極推動(dòng)，而不少政府機構也認識到了遠程抄表和配電網(wǎng)遠程管理的優(yōu)勢之所在，因而也大力支持。此外，這種趨勢還催生了若干專(zhuān)為新一代計量表制定規范的委員會(huì )的成立。

　　計量表必須具有安全穩健的通信協(xié)議，以應對惡劣的安裝布局，而且還必須擁有防潮濕和防破壞的按鈕和顯示器，以及用于電磁閥和/或旋轉傳感器(提供角位置信息)定位的編碼器。這些按鈕、顯示器和編碼器必須具有防止直接或者通過(guò)感應磁場(chǎng)或感應電場(chǎng)篡改的能力。計量表還必須擁有長(cháng)達數月的事件記錄功能，以應付長(cháng)時(shí)間無(wú)法與接入點(diǎn)進(jìn)行通信的情況。另一個(gè)常見(jiàn)的要求則與計量程序有關(guān)，就是計量表必須在固件升級時(shí)也能如常進(jìn)行工作，并確保達到某些安全參數。另外，在必須配備電池供電的情況下(至少在燃氣表中是如此)，設備的總能耗必須非常低。

　　無(wú)線(xiàn)電協(xié)議

　　在分析本節的這些要求和選擇時(shí)，我們可以列出針對計量應用的通信協(xié)議所必須具備的一些特性。首先，家用計量表的首選解決方案應當是采用射頻通信。其最主要的參數包括：

　　高能效：以確保電池壽命較長(cháng)，并減少抄表人員的工作量;數據可靠且穩健，因為信息的完整性是絕對關(guān)鍵的要素;

　　安全性：必須采用復雜的加密算法以確保安全性，更重要的是，編碼密鑰的管理和分發(fā)必須符合公用事業(yè)自身完善定義的要求;

　　網(wǎng)絡(luò )必須可配置：其自身必須能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和重配置，以適應工作環(huán)境，并按照工作環(huán)境的要求而演進(jìn)。這是因為環(huán)境條件可能隨時(shí)間而發(fā)生變化，譬如，兩座建筑物原本采用無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行通信，而后來(lái)兩者之間興建了第三座建筑物，阻斷了這種聯(lián)系，而一個(gè)可自發(fā)展并自動(dòng)重配置的靈活網(wǎng)絡(luò )就可以解決這些問(wèn)題;

　　安裝及維護簡(jiǎn)便：計量表網(wǎng)絡(luò )必然具有多個(gè)節點(diǎn)，而網(wǎng)絡(luò )本身也非常復雜。下一代計量表需要通過(guò)協(xié)議來(lái)管理網(wǎng)絡(luò )，該協(xié)議必須能夠涵蓋所有可能的情況，同時(shí)保證最大的靈活性，使操作人員僅需執行計量表節點(diǎn)的定位和啟動(dòng)等基本操作;

　　開(kāi)放式協(xié)議：協(xié)議不應是專(zhuān)有協(xié)議、而應是開(kāi)放式協(xié)議，以避免在潛在供應商之間出現競業(yè)禁止(non-competition)的問(wèn)題。協(xié)議必須能夠認證，且能夠保證各供應商產(chǎn)品之間的互操作性。

　　欲完全滿(mǎn)足上述所有要求，ZigBee可以說(shuō)是最佳的選擇。在美國，ZigBee已被選為智能電網(wǎng)的標準。ZigBee基于IEEE 802.15.4標準，并擁有一個(gè)堆棧結構。全球授權使用的頻率為2.4GHz，而不同地區的1GHz以下(sub-GHz)頻率分別為：中國783MHz，歐洲868MHz，美國915MHz。在計量應用，尤其是在室外的計量應用中，最好具有良好的傳輸范圍和一定的抗衰減源(鋼筋水泥、濕氣、無(wú)線(xiàn)電頻帶過(guò)載)能力?？紤]到這個(gè)原因，sub-GHz是最適合的解決方案。比如，868MHz頻率不易受到與多個(gè)路徑相關(guān)的相消干擾(衍射和反射是其主要原因)的影響。而且不同于2.4GHz，它也不易受到水(雪、雨、霧)造成的固有衰減的影響，并且具有更好的自由空間衰減特性(自由空間衰減將隨波長(cháng)的平方而減小)。此外，采用最新代的收發(fā)器可以擴大點(diǎn)到點(diǎn)的范圍，這將有助于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )，減少具有路由功能的節點(diǎn)數目。Atmel公司的IEEE 802.15.4兼容收發(fā)器AT86RF212就是一例，能夠提供高達120dBm的鏈路預算。

　　在意大利、西班牙、英國及其它許多國家，安裝電表是非常復雜的事情。原因在于電表常布局在無(wú)法獲得點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的位置，或是無(wú)法簡(jiǎn)單地運用橋接來(lái)增大距離。在這些情況下，網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò )就能發(fā)揮出重要的作用。成熟且可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，加上sub-GHz鏈路的可靠性，使這種解決方案成為眾多實(shí)際情況的理想選擇。

　　ZigBee Sub-GHz收發(fā)器

　　Atmel擁有多種2.4GHz收發(fā)器(如AT86RF231)及sub-GHz收發(fā)器(如AT86RF212)，這兩類(lèi)產(chǎn)品均能保證最大的靈敏度和輸出功率，及極低的功耗。二者的封裝和引腳分配均相同，同時(shí)，也采用了相同的ZigBee協(xié)議。這些收發(fā)器需要一個(gè)具有合適存儲器水平的低功耗微控制器(MCU)。同時(shí)，Atmel還提供了嵌入式解決方案，即更靈活的收發(fā)器對加一個(gè)外部MCU。AVR XMEGA就是滿(mǎn)足要求的一個(gè)微控制器系列，在引腳分配和軟件上完全兼容，具有16KB至384KB的閃存和32KB的RAM。XMEGA程序存儲器帶有一個(gè)額外的8KB存儲空間，既可用于啟動(dòng)加載程序，又可用于諸如在設備升級固件時(shí)運行計量之類(lèi)的程序。

　　為此，我們可以加入一組免費供應的ZigBee PRO和Smart Energy Profile庫。ZigBee PRO和Smart Energy Profile均已通過(guò)認證。

　　這種解決方案在功耗方面性能極好，在輪詢(xún)狀態(tài)下，整個(gè)系統的平均電流值可小至數百納安。在無(wú)外部放大器的情況下，鏈路預算可達120dBm，這一參數直接體現出了可通過(guò)的距離，故可降低路由器的使用。所需路由器越少，便越能降低成本、維護和電池消耗。然而，具有路由選擇對解決棘手的網(wǎng)絡(luò )配置問(wèn)題也至關(guān)重要，合適的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸距離和有限的路由器數量都有助于優(yōu)化集中度。如果各節點(diǎn)主要是精簡(jiǎn)功能設備(RFD)，并且波特率又足夠高(比如100kbps)，則可考慮增加單個(gè)接入點(diǎn)下的集中度。

　　表1所示為IEEE 802.15.4規范下各種可能的無(wú)線(xiàn)電配置。其中感興趣的配置之一是帶有O-QPSK調制及100kbs波特率的868MHz。在這種配置之下，就有可能充分發(fā)揮波長(cháng)所保證的范圍和靈敏度方面的優(yōu)勢，同時(shí)，優(yōu)化傳輸速度、降低功耗，并提高集中度。

　　不過(guò)必須留意的是，無(wú)論是2.4GHz或是sub-GHz，協(xié)議均相同。在這兩種情況下，所有重傳和應答機制都將被采用，比如載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)，以及安全機制(AES128加密和高安全性密鑰分發(fā)，視乎公用事業(yè)本身所需而采用的“認證中心”的要求而定)等。

　　在2.4GHz和sub-GHz上還采用了直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。得益于DSSS，我們不必探討單個(gè)868MHz信道。0到868MHz信道擁有足夠寬的頻帶，能夠發(fā)送出若干條譜間冗余的頻率線(xiàn)，這有點(diǎn)類(lèi)似于采用多個(gè)子信道并在其上發(fā)送冗余數據。這樣，在一個(gè)子信道上出現的干擾就不會(huì )影響到傳輸性能。此外，不可忽略的另一點(diǎn)是，在868MHz下，由于占空比的限制，不允許將該頻帶用于數據流服務(wù)。

　　鏈路預算是接收靈敏度、傳輸功率和天線(xiàn)增益的總和。鏈路預算定義了在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上兩個(gè)無(wú)線(xiàn)電設備之間的鏈路失去之前，允許產(chǎn)生哪些路徑損耗。由于無(wú)線(xiàn)電通信與傳播環(huán)境密切相關(guān)，一個(gè)能對無(wú)線(xiàn)電設備進(jìn)行參數化及比較的客觀(guān)方法是利用Friis定理來(lái)測量它們在自由空間中接收信號的能力：

　　上式描述了在與源Tx相距“d”處接收到的數據流，以及全向天線(xiàn)的實(shí)際接收開(kāi)放程度的分布。我們可以看出，2.4GHz的衰減大于sub-GHz的衰減，這種情況將隨波長(cháng)平方的增長(cháng)而變得更糟。