基于Zigbee的自动抄表系统设计

　　另一方面，图1示例了一个真实的环境仿真。蓝线代表868MHz传输，红线则为2.4GHz传输。连续抛物线与自由空间衰减有关，而另一种曲线是发射易受相长干扰和相消干扰(源于衍射、发射、衰减及由此引起的多路径等现象)影响的远程信号的功率线。这里需要注意的是，在2.4GHz，随着距离的增大，将会出现真实的“裂口”，其中的信号将会被干扰所抵消。而868MHz ZigBee却能避免这一问题，有效距离可达最初的数十甚至数百米。

　　最后，2.4GHz频率极易被水所吸收，因为它是水的谐振频率之一。

　　由于频率、波特率及调制方式可能发生变化，同一个IEEE 802.15收发器在自由空间范围方面会具有截然不同的性能水平(表2)。图2所示是对AT86RF212和AT86RF231测量得到的结果，此测试于Atmel位于德国德累斯顿的总部完成，ZigBee MCU无线收发器系列也是在此设计。

　　综上所述，选择正确的频率将有助于在恶劣的传输条件下提高性能水平，但是，因为网络须由协议管理，所以选择最合适的协议也许将更重要。正是协议(如ZigBee)的复杂性，使得设计人员能够设计出复杂的传感器或计量表网络，安装大量的计量表，利用单个集中器进行管理，从最困难的位置到达集中器，并随环境状况变化而改进。此外，由于ZigBee是经过认证的，这就保证了各供应商产品之间的互操作性。

　　微控制器的选择

　　Atmel提供了百余款从8位到32位，基于AVR、AVR32和ARM内核的MCU。在计量表的设计方面，提供了带有400段LCD控制器的低功耗ARM7(AT91SAM7L)，或者是采用了PicoPOWER技术并带有多达160个段的LCD控制器的AVR Mega内核，或AVR XMEGA。至于集中器方面，Atmel可通过ARM或AVR32将产品提升到高达数百MHz上，比如AP7000。

　　以XMEGA为例，它是一款工作在32MHz下的8位32MIPS MCU，带有一个DMA控制器和一个事件管理机制(由硬件触发产生)，另外也包括一个16/32位实时计量表(RTC)。它包含一个内置加密算法加速器AES128与T-DES、128MHz PWM信道，不但成本极低，而且最重要的是采用了picoPOWER技术。

　　picoPOWER技术

　　picoPOWER技术备有5种节能模式。一个Vbat引脚可用于备用电池，以保证外接超低功耗32位RTC与32.768kHz石英晶体振荡器的功能。这些设备在1.6V至3.3V电压下可保持全功能运作，可以优化动态功耗(Pdyn=K*Vcc2*f，与电源电压的平方及频率成正比)。由于对架构进行了优化，AVR可在每Hz频率周期内发送一条指令，这样ZigBee PRO就可以在低频(比如4或8MHz)下进行工作。

　　AVR PicoPOWER器件的耗电量范围如下：100nA掉电模式，支持SRAM存储器保持;500nA节电模式，支持实时时钟和节电检测激活;1MIPS工作时为350μA;12MIPS工作时(最大32MIPS)为3.6mA(图3)。另一方面，处于睡眠模式下的唤醒时间为2μs。

　　除以上耗电量外，我们还必须考虑到收发器无线电的耗电情况。若网络工作在轮询模式下，睡眠模式的耗电量将十分重要：2.4GHz版为20nA;sub-GHz版为100nA。而sub-GHz收发器的Rx耗电量为9mA。

　　电容传感器可解决某些机械问题

　　计量表通常具有一个显示单元，为有需要的用户提供某些一级消息和信息，同时，这些由数据、诊断和控制所构成的重要信息将被发送到集中的数据管理系统。显示单元的能耗较高，所以必须使其处于关断状态，并能够通过ON/OFF按钮随时打开。因此，这类按钮必须满足一定的防潮湿、防破坏要求。Atmel提供了与该应用相结合的软件库，使设计人员可利用一块铜片区域来作为电容性按钮。这种解决方案没有机械组件，故可采用任何介电材料来覆盖。设计人员可参考大量的指导性文件来设计电容性按钮，但该方案最重要的优势在于其成本可以忽略不计。

　　传感器/按钮就安装在印制电路板(PCB)上，并由软件进行管理。设计人员也可选用比简单电容性按钮更为复杂的传感器。具有典型8位分辨率的传感器可以提供256个触摸位置，适用于创建滑块或滑轮。按照Atmel提供的指南所描述的设计标准进行设计，可以实现角度位置或线性位置编码器，以识别用于读取燃气或液体流量的转子的位置，或确定开阀的准确位置。同样，在电容传感器上插补位置的算法可由软件实现，而Atmel微控制器免费提供了相应的软件库。在任何情况下，测量值的读取都需进行采样。合理的采样率可以使耗电量降至μA级的水平。

　　本文小结

　　Atmel认识到创建自动远程抄表系统的重要性，并针对自动抄表系统优化了一个完整的解决方案。该方案包括用于无线网络管理的临时性协议(如ZigBee PRO Smart Energy Profile)，以及网关或运行中的加载程序的集成等特殊应用。显示器控制由超低耗电量的微控制器处理，并通过存储器区域的选择性保护和安全的固件升级来支持计量工作。另外，此工具还包含了各种用于设计创新型按钮和编码器的电容传感解决方案。