基于ZigBee的窄帶電力線通信中繼器的設(shè)計(jì)

摘要：在介紹窄帶電力線通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZigBee的中繼器設(shè)計(jì)方案。該中繼器利用ZigBee作為電力線通信網(wǎng)絡(luò)的中繼器的物理層，從而可有效改善電力線通信節(jié)點(diǎn)在受限環(huán)境下傳輸?shù)臈l件，擴(kuò)展電力線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。
關(guān)鍵詞：中繼器；ZigBee；電力線通信

電力線通信技術(shù)(PLC)是采用電力線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(hào)加載到電力線上，利用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來(lái)，傳送到終端設(shè)備。
從占用頻率帶寬的角度來(lái)看，電力線通信可分為窄帶PLC(NB-PLC)和寬帶PLC(BB-PLC)。窄帶PLC的載波頻率范圍，在不同國(guó)家、不同地區(qū)是不一樣的，美國(guó)為50～450kHz，歐洲為3～149．5kHz (95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于戶內(nèi)In-Housee通信)，中國(guó)為40～500kHz。
窄帶電力線通信是智能電網(wǎng)的第一選擇。建立雙向、集成、實(shí)時(shí)的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)，沒有這樣的通信系統(tǒng)任何智能電網(wǎng)的特征都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護(hù)和控制都需要這樣的通信系統(tǒng)支持，因此建立這樣的通信系統(tǒng)是邁向智能電網(wǎng)的第一步。同時(shí)通信系統(tǒng)和電網(wǎng)一樣深入到干家萬(wàn)戶，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(xiàn)智能電網(wǎng)的目標(biāo)。
電力線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)覆蓋面廣、傳輸節(jié)點(diǎn)多的網(wǎng)絡(luò)，這意味著任何帶電終端都可以成為信息傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)和終點(diǎn)。
但是，電力線通信網(wǎng)絡(luò)同樣存在局限性。盡管擁有最廣泛的布線基礎(chǔ)設(shè)施，電力線通信網(wǎng)絡(luò)可以依靠電力網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，但是，空氣開關(guān)、變壓器等電力網(wǎng)絡(luò)中的同定設(shè)施的不同濾波特性會(huì)對(duì)電力線通信網(wǎng)絡(luò)造成衰減，甚至阻斷。此外，對(duì)不方便進(jìn)行電力線布線的室外，或者其它特殊區(qū)域，電力線通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法經(jīng)由電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。我們?cè)诒疚闹兴?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)的基于ZigBee的窄帶電力線通信中繼器，可以有效的進(jìn)行對(duì)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(kuò)展了電力線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

1 ZigBee技術(shù)
Zigbee是基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現(xiàn)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)線通訊技術(shù)的名稱。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(shì)在于以下幾點(diǎn)：
①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee-的突出優(yōu)勢(shì)，而相同條件下，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時(shí)。
②低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1／10)，降低了對(duì)通信控制器的要求。按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。
③低速率。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(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
④近距離。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(jié)點(diǎn)間的距離，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。
⑤短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
⑦高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼。
⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻存工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2．4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz (歐洲)。

2 PLC中繼器的硬件設(shè)計(jì)
PLC中繼器應(yīng)用場(chǎng)景框圖如圖1所示：