基于Zigbee的自动抄表系统设计

　　水表、气表和电表的抄表工作正在向遥控和自动化方向发展，这一趋势获得了计量表生产商和能源配送相关服务商的积极推动，而不少政府机构也认识到了远程抄表和配电网远程管理的优势之所在，因而也大力支持。此外，这种趋势还催生了若干专为新一代计量表制定规范的委员会的成立。 

　　计量表必须具有安全稳健的通信协议，以应对恶劣的安装布局，而且还必须拥有防潮湿和防破坏的按钮和显示器，以及用于电磁阀和/或旋转传感器(提供角位置信息)定位的编码器。这些按钮、显示器和编码器必须具有防止直接或者通过感应磁场或感应电场篡改的能力。计量表还必须拥有长达数月的事件记录功能，以应付长时间无法与接入点进行通信的情况。另一个常见的要求则与计量程序有关，就是计量表必须在固件升级时也能如常进行工作，并确保达到某些安全参数。另外，在必须配备电池供电的情况下(至少在燃气表中是如此)，设备的总能耗必须非常低。

　　无线电协议

　　在分析本节的这些要求和选择时，我们可以列出针对计量应用的通信协议所必须具备的一些特性。首先，家用计量表的首选解决方案应当是采用射频通信。其最主要的参数包括：

　　高能效：以确保电池寿命较长，并减少抄表人员的工作量；数据可靠且稳健，因为信息的完整性是绝对关键的要素；

　　安全性：必须采用复杂的加密算法以确保安全性，更重要的是，编码密钥的管理和分发必须符合公用事业自身完善定义的要求；

　　网络必须可配置：其自身必须能够自动进行配置和重配置，以适应工作环境，并按照工作环境的要求而演进。这是因为环境条件可能随时间而发生变化，譬如，两座建筑物原本采用无线电进行通信，而后来两者之间兴建了第三座建筑物，阻断了这种联系，而一个可自发展并自动重配置的灵活网络就可以解决这些问题；

　　安装及维护简便：计量表网络必然具有多个节点，而网络本身也非常复杂。下一代计量表需要通过协议来管理网络，该协议必须能够涵盖所有可能的情况，同时保证最大的灵活性，使操作人员仅需执行计量表节点的定位和启动等基本操作；

　　开放式协议：协议不应是专有协议、而应是开放式协议，以避免在潜在供应商之间出现竞业禁止(non-competition)的问题。协议必须能够认证，且能够保证各供应商产品之间的互操作性。

　　欲完全满足上述所有要求，ZigBee可以说是最佳的选择。在美国，ZigBee已被选为智能电网的标准。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，并拥有一个堆栈结构。全球授权使用的频率为2.4GHz，而不同地区的1GHz以下(sub-GHz)频率分别为：中国783MHz，欧洲868MHz，美国915MHz。在计量应用，尤其是在室外的计量应用中，最好具有良好的传输范围和一定的抗衰减源(钢筋水泥、湿气、无线电频带过载)能力。考虑到这个原因，sub-GHz是最适合的解决方案。比如，868MHz频率不易受到与多个路径相关的相消干扰(衍射和反射是其主要原因)的影响。而且不同于2.4GHz，它也不易受到水(雪、雨、雾)造成的固有衰减的影响，并且具有更好的自由空间衰减特性(自由空间衰减将随波长的平方而减小)。此外，采用最新代的收发器可以扩大点到点的范围，这将有助于简化网络，减少具有路由功能的节点数目。Atmel公司的IEEE 802.15.4兼容收发器AT86RF212就是一例，能够提供高达120dBm的链路预算。

　　在意大利、西班牙、英国及其它许多国家，安装电表是非常复杂的事情。原因在于电表常布局在无法获得点到点链路的位置，或是无法简单地运用桥接来增大距离。在这些情况下，网状型网络就能发挥出重要的作用。成熟且可靠的网状网络协议，加上sub-GHz链路的可靠性，使这种解决方案成为众多实际情况的理想选择。

　　ZigBee Sub-GHz收发器

　　Atmel拥有多种2.4GHz收发器(如AT86RF231)及sub-GHz收发器(如AT86RF212)，这两类产品均能保证最大的灵敏度和输出功率，及极低的功耗。二者的封装和引脚分配均相同，同时，也采用了相同的ZigBee协议。这些收发器需要一个具有合适存储器水平的低功耗微控制器(MCU)。同时，Atmel还提供了嵌入式解决方案，即更灵活的收发器对加一个外部MCU。AVR XMEGA就是满足要求的一个微控制器系列，在引脚分配和软件上完全兼容，具有16KB至384KB的闪存和32KB的RAM。XMEGA程序存储器带有一个额外的8KB存储空间，既可用于启动加载程序，又可用于诸如在设备升级固件时运行计量之类的程序。

　　为此，我们可以加入一组免费供应的ZigBee PRO和Smart Energy Profile库。ZigBee PRO和Smart Energy Profile均已通过认证。

　　这种解决方案在功耗方面性能极好，在轮询状态下，整个系统的平均电流值可小至数百纳安。在无外部放大器的情况下，链路预算可达120dBm，这一参数直接体现出了可通过的距离，故可降低路由器的使用。所需路由器越少，便越能降低成本、维护和电池消耗。然而，具有路由选择对解决棘手的网络配置问题也至关重要，合适的点到点传输距离和有限的路由器数量都有助于优化集中度。如果各节点主要是精简功能设备(RFD)，并且波特率又足够高(比如100kbps)，则可考虑增加单个接入点下的集中度。

　　表1所示为IEEE 802.15.4规范下各种可能的无线电配置。其中感兴趣的配置之一是带有O-QPSK调制及100kbs波特率的868MHz。在这种配置之下，就有可能充分发挥波长所保证的范围和灵敏度方面的优势，同时，优化传输速度、降低功耗，并提高集中度。 

　　不过必须留意的是，无论是2.4GHz或是sub-GHz，协议均相同。在这两种情况下，所有重传和应答机制都将被采用，比如载波侦听多点接入/冲突避免(CSMA/CA)，以及安全机制(AES128加密和高安全性密钥分发，视乎公用事业本身所需而采用的“认证中心”的要求而定)等。

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　　在2.4GHz和sub-GHz上还采用了直接序列扩频(DSSS)技术。得益于DSSS，我们不必探讨单个868MHz信道。0到868MHz信道拥有足够宽的频带，能够发送出若干条谱间冗余的频率线，这有点类似于采用多个子信道并在其上发送冗余数据。这样，在一个子信道上出现的干扰就不会影响到传输性能。此外，不可忽略的另一点是，在868MHz下，由于占空比的限制，不允许将该频带用于数据流服务。

　　链路预算是接收灵敏度、传输功率和天线增益的总和。链路预算定义了在点到点链路上两个无线电设备之间的链路失去之前，允许产生哪些路径损耗。由于无线电通信与传播环境密切相关，一个能对无线电设备进行参数化及比较的客观方法是利用Friis定理来测量它们在自由空间中接收信号的能力：

　　上式描述了在与源Tx相距“d”处接收到的数据流，以及全向天线的实际接收开放程度的分布。我们可以看出，2.4GHz的衰减大于sub-GHz的衰减，这种情况将随波长平方的增长而变得更糟。

　　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。

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　　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。