基于Zigbee的自動抄表系統(tǒng)設(shè)計

　　另一方面，圖1示例了一個真實的環(huán)境仿真。藍線代表868MHz傳輸，紅線則為2.4GHz傳輸。連續(xù)拋物線與自由空間衰減有關(guān)，而另一種曲線是發(fā)射易受相長干擾和相消干擾(源于衍射、發(fā)射、衰減及由此引起的多路徑等現(xiàn)象)影響的遠程信號的功率線。這里需要注意的是，在2.4GHz，隨著距離的增大，將會出現(xiàn)真實的“裂口”，其中的信號將會被干擾所抵消。而868MHz ZigBee卻能避免這一問題，有效距離可達最初的數(shù)十甚至數(shù)百米。

　　最后，2.4GHz頻率極易被水所吸收，因為它是水的諧振頻率之一。

　　由于頻率、波特率及調(diào)制方式可能發(fā)生變化，同一個IEEE 802.15收發(fā)器在自由空間范圍方面會具有截然不同的性能水平(表2)。圖2所示是對AT86RF212和AT86RF231測量得到的結(jié)果，此測試于Atmel位于德國德累斯頓的總部完成，ZigBee MCU無線收發(fā)器系列也是在此設(shè)計。

　　綜上所述，選擇正確的頻率將有助于在惡劣的傳輸條件下提高性能水平，但是，因為網(wǎng)絡(luò)須由協(xié)議管理，所以選擇最合適的協(xié)議也許將更重要。正是協(xié)議(如ZigBee)的復(fù)雜性，使得設(shè)計人員能夠設(shè)計出復(fù)雜的傳感器或計量表網(wǎng)絡(luò)，安裝大量的計量表，利用單個集中器進行管理，從最困難的位置到達集中器，并隨環(huán)境狀況變化而改進。此外，由于ZigBee是經(jīng)過認證的，這就保證了各供應(yīng)商產(chǎn)品之間的互操作性。

　　微控制器的選擇

　　Atmel提供了百余款從8位到32位，基于AVR、AVR32和ARM內(nèi)核的MCU。在計量表的設(shè)計方面，提供了帶有400段LCD控制器的低功耗ARM7(AT91SAM7L)，或者是采用了PicoPOWER技術(shù)并帶有多達160個段的LCD控制器的AVR Mega內(nèi)核，或AVR XMEGA。至于集中器方面，Atmel可通過ARM或AVR32將產(chǎn)品提升到高達數(shù)百MHz上，比如AP7000。

　　以XMEGA為例，它是一款工作在32MHz下的8位32MIPS MCU，帶有一個DMA控制器和一個事件管理機制(由硬件觸發(fā)產(chǎn)生)，另外也包括一個16/32位實時計量表(RTC)。它包含一個內(nèi)置加密算法加速器AES128與T-DES、128MHz PWM信道，不但成本極低，而且最重要的是采用了picoPOWER技術(shù)。

　　picoPOWER技術(shù)

　　picoPOWER技術(shù)備有5種節(jié)能模式。一個Vbat引腳可用于備用電池，以保證外接超低功耗32位RTC與32.768kHz石英晶體振蕩器的功能。這些設(shè)備在1.6V至3.3V電壓下可保持全功能運作，可以優(yōu)化動態(tài)功耗(Pdyn=K*Vcc2*f，與電源電壓的平方及頻率成正比)。由于對架構(gòu)進行了優(yōu)化，AVR可在每Hz頻率周期內(nèi)發(fā)送一條指令，這樣ZigBee PRO就可以在低頻(比如4或8MHz)下進行工作。

　　AVR PicoPOWER器件的耗電量范圍如下：100nA掉電模式，支持SRAM存儲器保持;500nA節(jié)電模式，支持實時時鐘和節(jié)電檢測激活;1MIPS工作時為350μA;12MIPS工作時(最大32MIPS)為3.6mA(圖3)。另一方面，處于睡眠模式下的喚醒時間為2μs。

　　除以上耗電量外，我們還必須考慮到收發(fā)器無線電的耗電情況。若網(wǎng)絡(luò)工作在輪詢模式下，睡眠模式的耗電量將十分重要：2.4GHz版為20nA;sub-GHz版為100nA。而sub-GHz收發(fā)器的Rx耗電量為9mA。

　　電容傳感器可解決某些機械問題

　　計量表通常具有一個顯示單元，為有需要的用戶提供某些一級消息和信息，同時，這些由數(shù)據(jù)、診斷和控制所構(gòu)成的重要信息將被發(fā)送到集中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。顯示單元的能耗較高，所以必須使其處于關(guān)斷狀態(tài)，并能夠通過ON/OFF按鈕隨時打開。因此，這類按鈕必須滿足一定的防潮濕、防破壞要求。Atmel提供了與該應(yīng)用相結(jié)合的軟件庫，使設(shè)計人員可利用一塊銅片區(qū)域來作為電容性按鈕。這種解決方案沒有機械組件，故可采用任何介電材料來覆蓋。設(shè)計人員可參考大量的指導(dǎo)性文件來設(shè)計電容性按鈕，但該方案最重要的優(yōu)勢在于其成本可以忽略不計。

　　傳感器/按鈕就安裝在印制電路板(PCB)上，并由軟件進行管理。設(shè)計人員也可選用比簡單電容性按鈕更為復(fù)雜的傳感器。具有典型8位分辨率的傳感器可以提供256個觸摸位置，適用于創(chuàng)建滑塊或滑輪。按照Atmel提供的指南所描述的設(shè)計標準進行設(shè)計，可以實現(xiàn)角度位置或線性位置編碼器，以識別用于讀取燃氣或液體流量的轉(zhuǎn)子的位置，或確定開閥的準確位置。同樣，在電容傳感器上插補位置的算法可由軟件實現(xiàn)，而Atmel微控制器免費提供了相應(yīng)的軟件庫。在任何情況下，測量值的讀取都需進行采樣。合理的采樣率可以使耗電量降至μA級的水平。

　　本文小結(jié)

　　Atmel認識到創(chuàng)建自動遠程抄表系統(tǒng)的重要性，并針對自動抄表系統(tǒng)優(yōu)化了一個完整的解決方案。該方案包括用于無線網(wǎng)絡(luò)管理的臨時性協(xié)議(如ZigBee PRO Smart Energy Profile)，以及網(wǎng)關(guān)或運行中的加載程序的集成等特殊應(yīng)用。顯示器控制由超低耗電量的微控制器處理，并通過存儲器區(qū)域的選擇性保護和安全的固件升級來支持計量工作。另外，此工具還包含了各種用于設(shè)計創(chuàng)新型按鈕和編碼器的電容傳感解決方案。