基于Zigbee的自動(dòng)抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　水表、氣表和電表的抄表工作正在向遙控和自動(dòng)化方向發(fā)展，這一趨勢(shì)獲得了計(jì)量表生產(chǎn)商和能源配送相關(guān)服務(wù)商的積極推動(dòng)，而不少政府機(jī)構(gòu)也認(rèn)識(shí)到了遠(yuǎn)程抄表和配電網(wǎng)遠(yuǎn)程管理的優(yōu)勢(shì)之所在，因而也大力支持。此外，這種趨勢(shì)還催生了若干專(zhuān)為新一代計(jì)量表制定規(guī)范的委員會(huì)的成立。

　　計(jì)量表必須具有安全穩(wěn)健的通信協(xié)議，以應(yīng)對(duì)惡劣的安裝布局，而且還必須擁有防潮濕和防破壞的按鈕和顯示器，以及用于電磁閥和/或旋轉(zhuǎn)傳感器(提供角位置信息)定位的編碼器。這些按鈕、顯示器和編碼器必須具有防止直接或者通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)或感應(yīng)電場(chǎng)篡改的能力。計(jì)量表還必須擁有長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的事件記錄功能，以應(yīng)付長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法與接入點(diǎn)進(jìn)行通信的情況。另一個(gè)常見(jiàn)的要求則與計(jì)量程序有關(guān)，就是計(jì)量表必須在固件升級(jí)時(shí)也能如常進(jìn)行工作，并確保達(dá)到某些安全參數(shù)。另外，在必須配備電池供電的情況下(至少在燃?xì)獗碇惺侨绱?，設(shè)備的總能耗必須非常低。

　　無(wú)線電協(xié)議

　　在分析本節(jié)的這些要求和選擇時(shí)，我們可以列出針對(duì)計(jì)量應(yīng)用的通信協(xié)議所必須具備的一些特性。首先，家用計(jì)量表的首選解決方案應(yīng)當(dāng)是采用射頻通信。其最主要的參數(shù)包括：

　　高能效：以確保電池壽命較長(zhǎng)，并減少抄表人員的工作量;數(shù)據(jù)可靠且穩(wěn)健，因?yàn)樾畔⒌耐暾允墙^對(duì)關(guān)鍵的要素;

　　安全性：必須采用復(fù)雜的加密算法以確保安全性，更重要的是，編碼密鑰的管理和分發(fā)必須符合公用事業(yè)自身完善定義的要求;

　　網(wǎng)絡(luò)必須可配置：其自身必須能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和重配置，以適應(yīng)工作環(huán)境，并按照工作環(huán)境的要求而演進(jìn)。這是因?yàn)榄h(huán)境條件可能隨時(shí)間而發(fā)生變化，譬如，兩座建筑物原本采用無(wú)線電進(jìn)行通信，而后來(lái)兩者之間興建了第三座建筑物，阻斷了這種聯(lián)系，而一個(gè)可自發(fā)展并自動(dòng)重配置的靈活網(wǎng)絡(luò)就可以解決這些問(wèn)題;

　　安裝及維護(hù)簡(jiǎn)便：計(jì)量表網(wǎng)絡(luò)必然具有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，而網(wǎng)絡(luò)本身也非常復(fù)雜。下一代計(jì)量表需要通過(guò)協(xié)議來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議必須能夠涵蓋所有可能的情況，同時(shí)保證最大的靈活性，使操作人員僅需執(zhí)行計(jì)量表節(jié)點(diǎn)的定位和啟動(dòng)等基本操作;

　　開(kāi)放式協(xié)議：協(xié)議不應(yīng)是專(zhuān)有協(xié)議、而應(yīng)是開(kāi)放式協(xié)議，以避免在潛在供應(yīng)商之間出現(xiàn)競(jìng)業(yè)禁止(non-competition)的問(wèn)題。協(xié)議必須能夠認(rèn)證，且能夠保證各供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互操作性。

　　欲完全滿足上述所有要求，ZigBee可以說(shuō)是最佳的選擇。在美國(guó)，ZigBee已被選為智能電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并擁有一個(gè)堆棧結(jié)構(gòu)。全球授權(quán)使用的頻率為2.4GHz，而不同地區(qū)的1GHz以下(sub-GHz)頻率分別為：中國(guó)783MHz，歐洲868MHz，美國(guó)915MHz。在計(jì)量應(yīng)用，尤其是在室外的計(jì)量應(yīng)用中，最好具有良好的傳輸范圍和一定的抗衰減源(鋼筋水泥、濕氣、無(wú)線電頻帶過(guò)載)能力。考慮到這個(gè)原因，sub-GHz是最適合的解決方案。比如，868MHz頻率不易受到與多個(gè)路徑相關(guān)的相消干擾(衍射和反射是其主要原因)的影響。而且不同于2.4GHz，它也不易受到水(雪、雨、霧)造成的固有衰減的影響，并且具有更好的自由空間衰減特性(自由空間衰減將隨波長(zhǎng)的平方而減小)。此外，采用最新代的收發(fā)器可以擴(kuò)大點(diǎn)到點(diǎn)的范圍，這將有助于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，減少具有路由功能的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。Atmel公司的IEEE 802.15.4兼容收發(fā)器AT86RF212就是一例，能夠提供高達(dá)120dBm的鏈路預(yù)算。

　　在意大利、西班牙、英國(guó)及其它許多國(guó)家，安裝電表是非常復(fù)雜的事情。原因在于電表常布局在無(wú)法獲得點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的位置，或是無(wú)法簡(jiǎn)單地運(yùn)用橋接來(lái)增大距離。在這些情況下，網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)就能發(fā)揮出重要的作用。成熟且可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，加上sub-GHz鏈路的可靠性，使這種解決方案成為眾多實(shí)際情況的理想選擇。

　　ZigBee Sub-GHz收發(fā)器

　　Atmel擁有多種2.4GHz收發(fā)器(如AT86RF231)及sub-GHz收發(fā)器(如AT86RF212)，這兩類(lèi)產(chǎn)品均能保證最大的靈敏度和輸出功率，及極低的功耗。二者的封裝和引腳分配均相同，同時(shí)，也采用了相同的ZigBee協(xié)議。這些收發(fā)器需要一個(gè)具有合適存儲(chǔ)器水平的低功耗微控制器(MCU)。同時(shí)，Atmel還提供了嵌入式解決方案，即更靈活的收發(fā)器對(duì)加一個(gè)外部MCU。AVR XMEGA就是滿足要求的一個(gè)微控制器系列，在引腳分配和軟件上完全兼容，具有16KB至384KB的閃存和32KB的RAM。XMEGA程序存儲(chǔ)器帶有一個(gè)額外的8KB存儲(chǔ)空間，既可用于啟動(dòng)加載程序，又可用于諸如在設(shè)備升級(jí)固件時(shí)運(yùn)行計(jì)量之類(lèi)的程序。

　　為此，我們可以加入一組免費(fèi)供應(yīng)的ZigBee PRO和Smart Energy Profile庫(kù)。ZigBee PRO和Smart Energy Profile均已通過(guò)認(rèn)證。

　　這種解決方案在功耗方面性能極好，在輪詢(xún)狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)的平均電流值可小至數(shù)百納安。在無(wú)外部放大器的情況下，鏈路預(yù)算可達(dá)120dBm，這一參數(shù)直接體現(xiàn)出了可通過(guò)的距離，故可降低路由器的使用。所需路由器越少，便越能降低成本、維護(hù)和電池消耗。然而，具有路由選擇對(duì)解決棘手的網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題也至關(guān)重要，合適的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸距離和有限的路由器數(shù)量都有助于優(yōu)化集中度。如果各節(jié)點(diǎn)主要是精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)，并且波特率又足夠高(比如100kbps)，則可考慮增加單個(gè)接入點(diǎn)下的集中度。

　　表1所示為IEEE 802.15.4規(guī)范下各種可能的無(wú)線電配置。其中感興趣的配置之一是帶有O-QPSK調(diào)制及100kbs波特率的868MHz。在這種配置之下，就有可能充分發(fā)揮波長(zhǎng)所保證的范圍和靈敏度方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，優(yōu)化傳輸速度、降低功耗，并提高集中度。

　　不過(guò)必須留意的是，無(wú)論是2.4GHz或是sub-GHz，協(xié)議均相同。在這兩種情況下，所有重傳和應(yīng)答機(jī)制都將被采用，比如載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避免(CSMA/CA)，以及安全機(jī)制(AES128加密和高安全性密鑰分發(fā)，視乎公用事業(yè)本身所需而采用的“認(rèn)證中心”的要求而定)等。

　　在2.4GHz和sub-GHz上還采用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。得益于DSSS，我們不必探討單個(gè)868MHz信道。0到868MHz信道擁有足夠?qū)挼念l帶，能夠發(fā)送出若干條譜間冗余的頻率線，這有點(diǎn)類(lèi)似于采用多個(gè)子信道并在其上發(fā)送冗余數(shù)據(jù)。這樣，在一個(gè)子信道上出現(xiàn)的干擾就不會(huì)影響到傳輸性能。此外，不可忽略的另一點(diǎn)是，在868MHz下，由于占空比的限制，不允許將該頻帶用于數(shù)據(jù)流服務(wù)。

　　鏈路預(yù)算是接收靈敏度、傳輸功率和天線增益的總和。鏈路預(yù)算定義了在點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上兩個(gè)無(wú)線電設(shè)備之間的鏈路失去之前，允許產(chǎn)生哪些路徑損耗。由于無(wú)線電通信與傳播環(huán)境密切相關(guān)，一個(gè)能對(duì)無(wú)線電設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化及比較的客觀方法是利用Friis定理來(lái)測(cè)量它們?cè)谧杂煽臻g中接收信號(hào)的能力：

　　上式描述了在與源Tx相距“d”處接收到的數(shù)據(jù)流，以及全向天線的實(shí)際接收開(kāi)放程度的分布。我們可以看出，2.4GHz的衰減大于sub-GHz的衰減，這種情況將隨波長(zhǎng)平方的增長(zhǎng)而變得更糟。