基于ZigBee的窄带电力线通信中继器的设计

摘要：在介绍窄带电力线通信网络的基础上，提出了一种基于ZigBee的中继器设计方案。该中继器利用ZigBee作为电力线通信网络的中继器的物理层，从而可有效改善电力线通信节点在受限环境下传输的条件，扩展电力线通信网络的覆盖范围。
关键词：中继器；ZigBee；电力线通信

电力线通信技术(PLC)是采用电力线传送信息的一种通信方式。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线上，利用电力线进行数据传输，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备。
从占用频率带宽的角度来看，电力线通信可分为窄带PLC(NB-PLC)和宽带PLC(BB-PLC)。窄带PLC的载波频率范围，在不同国家、不同地区是不一样的，美国为50～450kHz，欧洲为3～149．5kHz (95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于户内In-Housee通信)，中国为40～500kHz。
窄带电力线通信是智能电网的第一选择。建立双向、集成、实时的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统任何智能电网的特征都无法实现。因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统和电网一样深入到干家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络——电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标。
电力线网络是一个覆盖面广、传输节点多的网络，这意味着任何带电终端都可以成为信息传输的起点和终点。
但是，电力线通信网络同样存在局限性。尽管拥有最广泛的布线基础设施，电力线通信网络可以依靠电力网络传输数据，但是，空气开关、变压器等电力网络中的同定设施的不同滤波特性会对电力线通信网络造成衰减，甚至阻断。此外，对不方便进行电力线布线的室外，或者其它特殊区域，电力线通信网络无法经由电力网络进行通信。我们在本文中所设计的基于ZigBee的窄带电力线通信中继器，可以有效的进行对分隔状态的电力网络的连接，同时利用ZigBee技术，也扩展了电力线通信网络的覆盖范围。

1 ZigBee技术
Zigbee是基于IEEE 802．15．4标准的低功耗个域网协议。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来通知发现新的食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”。
ZigBee的底层技术基于IEEE 802．15．4协议，ZigBee的物理层和MAC层直接引用了IEEE 802．15．4协议的物理层和MAC层。
ZigBee优势在于以下几点：
①低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee-的突出优势，而相同条件下，蓝牙能工作数周、WiFi只可工作数小时。
②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1／10)，降低了对通信控制器的要求。按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。
③低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2．4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
⑦高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码。
⑧免执照频段。采用直接序列扩频存工业科学医疗(ISM)频段，2．4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz (欧洲)。

2 PLC中继器的硬件设计
PLC中继器应用场景框图如图1所示：