基于ZigBee的窄帶電力線通信中繼器的設(shè)計

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)點在受限環(huán)境下傳輸?shù)臈l件，擴展電力線通信網(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加載到電力線上，利用電力線進行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制解調(diào)器將高頻信號從電力線上分離出來，傳送到終端設(shè)備。
    從占用頻率帶寬的角度來看，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，在不同國家、不同地區(qū)是不一樣的，美國為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、實時的通信系統(tǒng)是實現(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)的特征都無法實現(xiàn)。因為智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)獲取、保護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。同時通信系統(tǒng)和電網(wǎng)一樣深入到干家萬戶，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)，只有這樣才能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的目標(biāo)。
    電力線網(wǎng)絡(luò)是一個覆蓋面廣、傳輸節(jié)點多的網(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和終點。
    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對電力線通信網(wǎng)絡(luò)造成衰減，甚至阻斷。此外，對不方便進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)無法經(jīng)由電力網(wǎng)絡(luò)進行通信。我們在本文中所設(shè)計的基于ZigBee的窄帶電力線通信中繼器，可以有效的進行對分隔狀態(tài)的電力網(wǎng)絡(luò)的連接，同時利用ZigBee技術(shù)，也擴展了電力線通信網(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)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。ZigBee名字來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)勢在于以下幾點：
    ①低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee-的突出優(yōu)勢，而相同條件下，藍牙能工作數(shù)周、WiFi只可工作數(shù)小時。
    ②低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1／10)，降低了對通信控制器的要求。按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為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)點間的距離，如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
    ⑤短時延。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)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要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)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。
    ⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼。
    ⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻存工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz (歐洲)。

2 PLC中繼器的硬件設(shè)計
    PLC中繼器應(yīng)用場景框圖如圖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，支持對外設(shè)的擴展。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，來滿足智能電網(wǎng)的通信要求。它提供一個具有靈活性、可擴展性及未來性的電力線通信平臺，可輕松適應(yīng)各類智能電網(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的工業(yè)級應(yīng)用，優(yōu)越的鏈路估計，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)驗證、信道評估、鏈路質(zhì)量指示和幀定時信息這些功能，減輕了主機控制器的負荷。存一個典型的系統(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進行通信。CC2520的SCLK端口與ST7590的SPICLK0相連，作為SPI的時鐘信號。CC2520的SO端口與ST7590的SPIMIS00相連，CC2520的SI信號與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，用來進行CC2520的啟動確認。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
    存硬件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們進行了PLC中繼器的軟件設(shè)計。
    在系統(tǒng)啟動時，ST7590首先對控制器和CC2520等硬件驅(qū)動進行初始化操作。初始化成功后，指示模塊燈亮，隨后ST7590和CC2520進入各自的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽任務(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現(xiàn)。如圖4所示。

    首先，我們要定義兩個中繼器的ZigBee節(jié)點MAC層報頭配置。
   
    其中，plc_destAddr、plc_srcAddr、plc_panld是本地ZigBee網(wǎng)絡(luò)的目的節(jié)點地址、源節(jié)點地址和子網(wǎng)ID。
    (1)PRIME->ZigBee現(xiàn)
    PRIME->ZigBee的實現(xiàn)框圖如圖5所示：

    ①當(dāng)ST7590從電力線網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)聽到數(shù)據(jù)包data后，得到數(shù)據(jù)包的長度L，所以ZigBee數(shù)據(jù)包的長度為L_ZigBee=L+12；將L_ZigBee放入ZigBee的MAC層報頭，將data放入ZigBee的MAC層負載。
    ⑦判斷CC2520是否有任務(wù)，等待空閑后，判斷信道競爭機制CSMA／CA，等待信道空閑，ST7590通過SPI總線控制CC2520向目的節(jié)點發(fā)送ZigBee數(shù)據(jù)包。
    (2)ZigBee->PRIME實現(xiàn)
    ZigBee->PRIME的實現(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，進行重傳操作，或者進行ZigBee向PRIME的轉(zhuǎn)發(fā)。
    ②如果是ZigBee向PRIME的轉(zhuǎn)發(fā)，判斷信道競爭機制CSMA／CA，等待信道空閑，首先向剛才的ZigBee節(jié)點發(fā)送確認幀。
    ③解封裝ZigBee數(shù)據(jù)包，將ZigBee的MAC層負載傳輸給PRIME協(xié)議，進行電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸。
    為了避免兩個過程同時搶占硬件和軟件資源，我們在中斷中優(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(1)過程和(2)過程的交互，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。

5 結(jié)束語
    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，還有金融市場的暗流涌動，世界各國都將發(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)的作用將會越來越成重要，成為民生生活不可或缺的一部分。
    本文嘗試把未來有線通信的代表——電力線通信網(wǎng)絡(luò)和短距離無線通信的代表——ZigBee相結(jié)合，所設(shè)計的基于ZigBee的窄帶電力線通信中繼器，將無線通信的優(yōu)勢彌補到電力線通信的不足中，希望可以用這樣的一個新的網(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)。