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水表、氣表和電表的抄表工作正在向遙控和自動化方向發(fā)展，這一趨勢獲得了計量表生產(chǎn)商和能源配送相關(guān)服務(wù)商的積極推動，而不少政府機構(gòu)也認(rèn)識到了遠(yuǎn)程抄表和配電網(wǎng)遠(yuǎn)程管理的優(yōu)勢之所在，因而也大力支持。此外，這種趨勢還催生了若干專為新一代計量表制定規(guī)范的委員會的成立。 計量表必須具有安全穩(wěn)健的通信協(xié)議，以應(yīng)對惡劣的安裝布局，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感應(yīng)磁場或感應(yīng)電場篡改的能力。計量表還必須擁有長達(dá)數(shù)月的事件記錄功能，以應(yīng)付長時間無法與接入點進(jìn)行通信的情況。另一個常見的要求則與計量程序有關(guān)，就是計量表必須在固件升級時也能如常進(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。 無線電協(xié)議 在分析本節(jié)的這些要求和選擇時，我們可以列出針對計量應(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，并減少抄表人員的工作量;數(shù)據(jù)可靠且穩(wěn)健，因為信息的完整性是絕對關(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)。這是因為環(huán)境條件可能隨時間而發(fā)生變化，譬如，兩座建筑物原本采用無線電進(jìn)行通信，而后來兩者之間興建了第三座建筑物，阻斷了這種聯(lián)系，而一個可自發(fā)展并自動重配置的靈活網(wǎng)絡(luò)就可以解決這些問題; 安裝及維護(hù)簡便：計量表網(wǎng)絡(luò)必然具有多個節(jié)點，而網(wǎng)絡(luò)本身也非常復(fù)雜。下一代計量表需要通過協(xié)議來管理網(wǎng)絡(luò)，該協(xié)議必須能夠涵蓋所有可能的情況，同時保證最大的靈活性，使操作人員僅需執(zhí)行計量表節(jié)點的定位和啟動等基本操作; 開放式協(xié)議：協(xié)議不應(yīng)是專有協(xié)議、而應(yīng)是開放式協(xié)議，以避免在潛在供應(yīng)商之間出現(xiàn)競業(yè)禁止(non-competition)的問題。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可以說是最佳的選擇。在美國，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783MHz，歐洲868MHz，美國915MHz。在計量應(yīng)用，尤其是在室外的計量應(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、無線電頻帶過載)能力。考慮到這個原因，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的平方而減小)。此外，采用最新代的收發(fā)器可以擴(kuò)大點到點的范圍，這將有助于簡化網(wǎng)絡(luò)，減少具有路由功能的節(jié)點數(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、英國及其它許多國家，安裝電表是非常復(fù)雜的事情。原因在于電表常布局在無法獲得點到點鏈路的位置，或是無法簡單地運用橋接來增大距離。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，也采用了相同的ZigBee協(xié)議。這些收發(fā)器需要一個具有合適存儲器水平的低功耗微控制器(MCU)。同時，Atmel還提供了嵌入式解決方案，即更靈活的收發(fā)器對加一個外部MCU。AVR XMEGA就是滿足要求的一個微控制器系列，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程序存儲器帶有一個額外的8KB存儲空間，既可用于啟動加載程序，又可用于諸如在設(shè)備升級固件時運行計量之類的程序。 為此，我們可以加入一組免費供應(yīng)的ZigBee PRO和Smart Energy Profile庫。ZigBee PRO和Smart Energy Profile均已通過認(rèn)證。 這種解決方案在功耗方面性能極好，在輪詢狀態(tài)下，整個系統(tǒng)的平均電流值可小至數(shù)百納安。在無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，具有路由選擇對解決棘手的網(wǎng)絡(luò)配置問題也至關(guān)重要，合適的點到點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)點主要是精簡功能設(shè)備(RFD)，并且波特率又足夠高(比如100kbps)，則可考慮增加單個接入點下的集中度。 表1所示為IEEE 802.15.4規(guī)范下各種可能的無線電配置。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)揮波長所保證的范圍和靈敏度方面的優(yōu)勢，同時，優(yōu)化傳輸速度、降低功耗，并提高集中度。 不過必須留意的是，無論是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)答機制都將被采用，比如載波偵聽多點接入/沖突避免(CSMA/CA)，以及安全機制(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，這有點類似于采用多個子信道并在其上發(fā)送冗余數(shù)據(jù)。這樣，在一個子信道上出現(xiàn)的干擾就不會影響到傳輸性能。此外，不可忽略的另一點是，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)算定義了在點到點鏈路上兩個無線電設(shè)備之間的鏈路失去之前，允許產(chǎn)生哪些路徑損耗。由于無線電通信與傳播環(huán)境密切相關(guān)，一個能對無線電設(shè)備進(jìn)行參數(shù)化及比較的客觀方法是利用Friis定理來測量它們在自由空間中接收信號的能力： 上式描述了在與源Tx相距“d”處接收到的數(shù)據(jù)流，以及全向天線的實際接收開放程度的分布。我們可以看出，2.4GHz的衰減大于sub-GHz的衰減，這種情況將隨波長平方的增長而變得更糟。 另一方面，圖1示例了一個真實的環(huán)境仿真。藍(lán)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(yuǎn)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(dá)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(jìn)行管理，從最困難的位置到達(dá)集中器，并隨環(huán)境狀況變化而改進(jìn)。此外，由于ZigBee是經(jīng)過認(rèn)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(dá)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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?xì)饣蛞后w流量的轉(zhuǎn)子的位置，或確定開閥的準(zhǔn)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(jìn)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(rèn)識到創(chuàng)建自動遠(yuǎn)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(hù)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。 |
