基于ZigBee的電力線通信中繼器設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　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(guò)專(zhuān)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(méi)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(kāi)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O(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(guò)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)：

　?、俚凸?。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(guò)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(zhuān)利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。

　?、鄣退俾?。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。

　?、芙嚯x。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(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

　?、荻虝r(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.

　?、薷呷萘?。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。

　?、嗝鈭?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：

　　中繼器鏈接在電力網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間，轉(zhuǎn)發(fā)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)信息。

　　PLC中繼器的硬件架構(gòu)框圖如圖2所示：

　　PLC中繼器的核心模塊為主控制處理器和ZigBee模塊、中繼器的主控制處理器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ST7590芯片。它帶有8051內(nèi)核，可以提供中繼器基本的控制支持；它還帶有SPI/USART接口，支持對(duì)外設(shè)的擴(kuò)展。最重要的是，它還自帶了支持PRIME協(xié)議的物理層/MAC層DSP處理芯片，以及電力線通信的模擬前端，使得ST7590非常具有可操作性，來(lái)滿足智能電網(wǎng)的通信要求。它提供一個(gè)具有靈活性、可擴(kuò)展性及未來(lái)性的電力線通信平臺(tái)，可輕松適應(yīng)各類(lèi)智能電網(wǎng)的應(yīng)剛需求和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

　　ZigBee模塊采用的是德州儀器公司生產(chǎn)的CC2520芯片。CC2520是TI（德州儀器）的第二代ZigBee/IEEE 802.15.4射頻收發(fā)器，工作于2.4 GHz頻段。該芯片可以提供最先進(jìn)的工業(yè)級(jí)應(yīng)用，優(yōu)越的鏈路估計(jì)，可以存-40Ω~125攝氏度下工作此外，CC2520提供了廣泛的的硬件處理技術(shù)，支持幀處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、信道評(píng)估、鏈路質(zhì)量指示和幀定時(shí)信息這些功能，減輕了主機(jī)控制器的負(fù)荷。存一個(gè)典型的系統(tǒng)中，CC2520將與ST7590一起完成中繼操作。CC2520與ST7590的接口圖如圖3所示。

　　我們使用ST7590的SPI通道與CC2520進(jìn)行通信。CC2520的SCLK端口與 ST7590的SPICLK0相連，作為SPI的時(shí)鐘信號(hào)。CC2520的SO端口與ST7590的SPIMIS00相連，CC2520的SI信號(hào)與 ST7590的SPIMIS10相連，CC2520的CSn與ST7590的nSS0相連，SCLK、SO、SI與CSn端口共同完成CC2520和 ST7590的SPI通信。CC2520的VREG_EN是CC2520的電源自檢端口，與ST7590的GPI06相連，用來(lái)進(jìn)行CC2520的啟動(dòng)確認(rèn)。CC2520的GPIO0~GPIO5與ST7590的GPIO0~GPIO5相連，為ST7590的GPIO0~GPIO5提供中斷源。

　　3 PLC中繼器的軟件設(shè)計(jì)

　　存硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了PLC中繼器的軟件設(shè)計(jì)。

　　在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，ST7590首先對(duì)控制器和CC2520等硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行初始化操作。初始化成功后，指示模塊燈亮，隨后ST7590和CC2520進(jìn)入各自的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)任務(wù)。

　　中繼器的核心任務(wù)是不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能，也就是ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包的封裝和解封裝實(shí)現(xiàn)。如圖4所示。

　　首先，我們要定義兩個(gè)中繼器的ZigBee節(jié)點(diǎn)MAC層報(bào)頭配置。

　　其中，plc_destAddr、plc_srcAddr、plc_panld是本地ZigBee網(wǎng)絡(luò)的目的節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)地址和子網(wǎng)ID.

　?。?）PRIME->ZigBee實(shí)現(xiàn)

　　PRIME->ZigBee的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示：

　?、佼?dāng)ST7590從電力線網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)聽(tīng)到數(shù)據(jù)包data后，得到數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度L，所以ZigBee數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度為L(zhǎng)_ZigBee=L+12;將L_ZigBee放入ZigBee的MAC層報(bào)頭，將data放入ZigBee的MAC層負(fù)載。

　　⑦判斷CC2520是否有任務(wù)，等待空閑后，判斷信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制CSMA/CA，等待信道空閑，ST7590通過(guò)SPI總線控制CC2520向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送ZigBee數(shù)據(jù)包。

　?。?）ZigBee->PRIME實(shí)現(xiàn)

　　ZigBee->PRIME的實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

　　①當(dāng)CC2520收到ZigBee數(shù)據(jù)包后，首先根據(jù)ZigBee的MAC層數(shù)據(jù)，判斷是否重傳包，進(jìn)行重傳操作，或者進(jìn)行ZigBee向PRIME的轉(zhuǎn)發(fā)。

　?、谌绻荶igBee向PRIME的轉(zhuǎn)發(fā)，判斷信道競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制CSMA/CA，等待信道空閑，首先向剛才的ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)幀。

　?、劢夥庋bZigBee數(shù)據(jù)包，將ZigBee的MAC層負(fù)載傳輸給PRIME協(xié)議，進(jìn)行電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸。

　　為了避免兩個(gè)過(guò)程同時(shí)搶占硬件和軟件資源，我們?cè)谥袛嘀袃?yōu)先選擇較為慢速的電力線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)。

　　通過(guò)（1）過(guò)程和（2）過(guò)程的交互，PLC中繼器完成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和電力線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　作為繼IT革命后的下一代技術(shù)革命，智能電網(wǎng)搭建了能源產(chǎn)業(yè)鏈和新興通信系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展必經(jīng)之路。目前，處于全球萎縮狀態(tài)的不儀僅是能源的供給，還有金融市場(chǎng)的暗流涌動(dòng)，世界各國(guó)都將發(fā)展智能電網(wǎng)提升到首要的戰(zhàn)略地位。而作為智能電網(wǎng)的核心傳輸網(wǎng)絡(luò)，電力線通信網(wǎng)絡(luò)的作用將會(huì)越來(lái)越成重要，成為民生生活不可或缺的一部分。

　　本文嘗試把未來(lái)有線通信的代表--電力線通信網(wǎng)絡(luò)和短距離無(wú)線通信的代表--ZigBee相結(jié)合，所提出的基于ZigBee的 電力線通信中繼器的設(shè)計(jì)方案，將無(wú)線通信的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)到電力線通信的不足中，希望可以用這樣的一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)形式，為電力線通信的創(chuàng)新應(yīng)用打下可行性的基礎(chǔ)。