基于ZigBee的電力線通信中繼器設計方案

　　0 引言

　　電力線通信技術（PLC）是采用電力線傳送信息的一種通信方式。該技術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，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--電網(wǎng)和通信網(wǎng)絡，只有這樣才能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的目標。

　　電力線網(wǎng)絡是一個覆蓋面廣、傳輸節(jié)點多的網(wǎng)絡，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)絡同樣存在局限性。盡管擁有最廣泛的布線基礎設施，電力線通信網(wǎng)絡可以依靠電力網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，但是，空氣開關、變壓器等電力網(wǎng)絡中的同定設施的不同濾波特性會對電力線通信網(wǎng)絡造成衰減，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)絡無法經(jīng)由電力網(wǎng)絡進行通信。我們在本文中所設計的基于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)絡的連接，同時利用ZigBee 技術，也擴展了電力線通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍。

　　1 ZigBee技術

　　Zigbee是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗個域網(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：

　?、俚凸?。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。

　?、诘统杀?。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。

　?、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的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需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)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

　?、吒甙踩?。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、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準（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中繼器的硬件設計

　　PLC中繼器應用場景框圖如圖1所示：

　　中繼器鏈接在電力網(wǎng)絡和ZigBee網(wǎng)絡之間，轉發(fā)不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)信息。

　　PLC中繼器的硬件架構框圖如圖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，可輕松適應各類智能電網(wǎng)的應剛需求和協(xié)議標準。

　　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，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中繼器的軟件設計

　　存硬件架構的基礎上，我們進行了PLC中繼器的軟件設計。

　　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)絡監(jiān)聽任務。

　　中繼器的核心任務是不同協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉發(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)絡的目的節(jié)點地址、源節(jié)點地址和子網(wǎng)ID.

　?。?）PRIME->ZigBee實現(xiàn)

　　PRIME->ZigBee的實現(xiàn)框圖如圖5所示：

　?、佼擲T7590從電力線網(wǎng)絡中監(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。

　?、吲袛郈C2520是否有任務，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的轉發(fā)。

　?、谌绻荶igBee向PRIME的轉發(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。

　?、劢夥庋bZigBee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)絡和電力線通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換。

　　4 結束語

　　作為繼IT革命后的下一代技術革命，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，電力線通信網(wǎng)絡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)絡和短距離無線通信的代表--ZigBee相結合，所提出的基于ZigBee的 電力線通信中繼器的設計方案，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)絡形式，為電力線通信的創(chuàng)新應用打下可行性的基礎。