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基于Zigbee的自动抄表系统设计

作者:时间:2014-12-08来源:网络收藏

  水表、气表和电表的抄表工作正在向遥控和自动化方向发展,这一趋势获得了计量表生产商和能源配送相关服务商的积极推动,而不少政府机构也认识到了远程抄表和配电网远程管理的优势之所在,因而也大力支持。此外,这种趋势还催生了若干专为新一代计量表制定规范的委员会的成立。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/266501.htm

  计量表必须具有安全稳健的通信协议,以应对恶劣的安装布局,而且还必须拥有防潮湿和防破坏的按钮和显示器,以及用于电磁阀和/或旋转传感器(提供角位置信息)定位的编码器。这些按钮、显示器和编码器必须具有防止直接或者通过感应磁场或感应电场篡改的能力。计量表还必须拥有长达数月的事件记录功能,以应付长时间无法与接入点进行通信的情况。另一个常见的要求则与计量程序有关,就是计量表必须在固件升级时也能如常进行工作,并确保达到某些安全参数。另外,在必须配备电池供电的情况下(至少在燃气表中是如此),设备的总能耗必须非常低。

  无线电协议

  在分析本节的这些要求和选择时,我们可以列出针对计量应用的通信协议所必须具备的一些特性。首先,家用计量表的首选解决方案应当是采用射频通信。其最主要的参数包括:

  高能效:以确保电池寿命较长,并减少抄表人员的工作量;数据可靠且稳健,因为信息的完整性是绝对关键的要素;

  安全性:必须采用复杂的加密算法以确保安全性,更重要的是,编码密钥的管理和分发必须符合公用事业自身完善定义的要求;

  网络必须可配置:其自身必须能够自动进行配置和重配置,以适应工作环境,并按照工作环境的要求而演进。这是因为环境条件可能随时间而发生变化,譬如,两座建筑物原本采用无线电进行通信,而后来两者之间兴建了第三座建筑物,阻断了这种联系,而一个可自发展并自动重配置的灵活网络就可以解决这些问题;

  安装及维护简便:计量表网络必然具有多个节点,而网络本身也非常复杂。下一代计量表需要通过协议来管理网络,该协议必须能够涵盖所有可能的情况,同时保证最大的灵活性,使操作人员仅需执行计量表节点的定位和启动等基本操作;

  开放式协议:协议不应是专有协议、而应是开放式协议,以避免在潜在供应商之间出现竞业禁止(non-competition)的问题。协议必须能够认证,且能够保证各供应商产品之间的互操作性。

  欲完全满足上述所有要求,ZigBee可以说是最佳的选择。在美国,ZigBee已被选为智能电网的标准。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准,并拥有一个堆栈结构。全球授权使用的频率为2.4GHz,而不同地区的1GHz以下(sub-GHz)频率分别为:中国783MHz,欧洲868MHz,美国915MHz。在计量应用,尤其是在室外的计量应用中,最好具有良好的传输范围和一定的抗衰减源(钢筋水泥、湿气、无线电频带过载)能力。考虑到这个原因,sub-GHz是最适合的解决方案。比如,868MHz频率不易受到与多个路径相关的相消干扰(衍射和反射是其主要原因)的影响。而且不同于2.4GHz,它也不易受到水(雪、雨、雾)造成的固有衰减的影响,并且具有更好的自由空间衰减特性(自由空间衰减将随波长的平方而减小)。此外,采用最新代的收发器可以扩大点到点的范围,这将有助于简化网络,减少具有路由功能的节点数目。Atmel公司的IEEE 802.15.4兼容收发器AT86RF212就是一例,能够提供高达120dBm的链路预算。

  在意大利、西班牙、英国及其它许多国家,安装电表是非常复杂的事情。原因在于电表常布局在无法获得点到点链路的位置,或是无法简单地运用桥接来增大距离。在这些情况下,网状型网络就能发挥出重要的作用。成熟且可靠的网状网络协议,加上sub-GHz链路的可靠性,使这种解决方案成为众多实际情况的理想选择。

  ZigBee Sub-GHz收发器

  Atmel拥有多种2.4GHz收发器(如AT86RF231)及sub-GHz收发器(如AT86RF212),这两类产品均能保证最大的灵敏度和输出功率,及极低的功耗。二者的封装和引脚分配均相同,同时,也采用了相同的ZigBee协议。这些收发器需要一个具有合适存储器水平的低功耗微控制器(MCU)。同时,Atmel还提供了嵌入式解决方案,即更灵活的收发器对加一个外部MCU。AVR XMEGA就是满足要求的一个微控制器系列,在引脚分配和软件上完全兼容,具有16KB至384KB的闪存和32KB的RAM。XMEGA程序存储器带有一个额外的8KB存储空间,既可用于启动加载程序,又可用于诸如在设备升级固件时运行计量之类的程序。

  为此,我们可以加入一组免费供应的ZigBee PRO和Smart Energy Profile库。ZigBee PRO和Smart Energy Profile均已通过认证。

  这种解决方案在功耗方面性能极好,在轮询状态下,整个系统的平均电流值可小至数百纳安。在无外部放大器的情况下,链路预算可达120dBm,这一参数直接体现出了可通过的距离,故可降低路由器的使用。所需路由器越少,便越能降低成本、维护和电池消耗。然而,具有路由选择对解决棘手的网络配置问题也至关重要,合适的点到点传输距离和有限的路由器数量都有助于优化集中度。如果各节点主要是精简功能设备(RFD),并且波特率又足够高(比如100kbps),则可考虑增加单个接入点下的集中度。

  表1所示为IEEE 802.15.4规范下各种可能的无线电配置。其中感兴趣的配置之一是带有O-QPSK调制及100kbs波特率的868MHz。在这种配置之下,就有可能充分发挥波长所保证的范围和灵敏度方面的优势,同时,优化传输速度、降低功耗,并提高集中度。



  不过必须留意的是,无论是2.4GHz或是sub-GHz,协议均相同。在这两种情况下,所有重传和应答机制都将被采用,比如载波侦听多点接入/冲突避免(CSMA/CA),以及安全机制(AES128加密和高安全性密钥分发,视乎公用事业本身所需而采用的“认证中心”的要求而定)等。

  在2.4GHz和sub-GHz上还采用了直接序列扩频()技术。得益于,我们不必探讨单个868MHz信道。0到868MHz信道拥有足够宽的频带,能够发送出若干条谱间冗余的频率线,这有点类似于采用多个子信道并在其上发送冗余数据。这样,在一个子信道上出现的干扰就不会影响到传输性能。此外,不可忽略的另一点是,在868MHz下,由于占空比的限制,不允许将该频带用于数据流服务。

  链路预算是接收灵敏度、传输功率和天线增益的总和。链路预算定义了在点到点链路上两个无线电设备之间的链路失去之前,允许产生哪些路径损耗。由于无线电通信与传播环境密切相关,一个能对无线电设备进行参数化及比较的客观方法是利用Friis定理来测量它们在自由空间中接收信号的能力:



  上式描述了在与源Tx相距“d”处接收到的数据流,以及全向天线的实际接收开放程度的分布。我们可以看出,2.4GHz的衰减大于sub-GHz的衰减,这种情况将随波长平方的增长而变得更糟。

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关键词: Zigbee 自动抄表 DSSS

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