基于ZigBee的窄带电力线通信中继器的设计

摘要：在介绍窄带电力线通信网络的基础上，提出了一种基于ZigBee的中继器设计方案。该中继器利用ZigBee作为电力线通信网络的中继器的物理层，从而可有效改善电力线通信节点在受限环境下传输的条件，扩展电力线通信网络的覆盖范围。
关键词：中继器；ZigBee；电力线通信

    电力线通信技术(PLC)是采用电力线传送信息的一种通信方式。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线上，利用电力线进行数据传输，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备。
    从占用频率带宽的角度来看，电力线通信可分为窄带PLC(NB-PLC)和宽带PLC(BB-PLC)。窄带PLC的载波频率范围，在不同国家、不同地区是不一样的，美国为50～450kHz，欧洲为3～149．5kHz (95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于户内In-Housee通信)，中国为40～500kHz。
    窄带电力线通信是智能电网的第一选择。建立双向、集成、实时的通信系统是实现智能电网的基础，没有这样的通信系统任何智能电网的特征都无法实现。因为智能电网的数据获取、保护和控制都需要这样的通信系统支持，因此建立这样的通信系统是迈向智能电网的第一步。同时通信系统和电网一样深入到干家万户，这样就形成了两张紧密联系的网络——电网和通信网络，只有这样才能实现智能电网的目标。
    电力线网络是一个覆盖面广、传输节点多的网络，这意味着任何带电终端都可以成为信息传输的起点和终点。
    但是，电力线通信网络同样存在局限性。尽管拥有最广泛的布线基础设施，电力线通信网络可以依靠电力网络传输数据，但是，空气开关、变压器等电力网络中的同定设施的不同滤波特性会对电力线通信网络造成衰减，甚至阻断。此外，对不方便进行电力线布线的室外，或者其它特殊区域，电力线通信网络无法经由电力网络进行通信。我们在本文中所设计的基于ZigBee的窄带电力线通信中继器，可以有效的进行对分隔状态的电力网络的连接，同时利用ZigBee技术，也扩展了电力线通信网络的覆盖范围。

1 ZigBee技术
    Zigbee是基于IEEE 802．15．4标准的低功耗个域网协议。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳Zigzag形状的舞蹈来通知发现新的食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”。
    ZigBee的底层技术基于IEEE 802．15．4协议，ZigBee的物理层和MAC层直接引用了IEEE 802．15．4协议的物理层和MAC层。
    ZigBee优势在于以下几点：
    ①低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee-的突出优势，而相同条件下，蓝牙能工作数周、WiFi只可工作数小时。
    ②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1／10)，降低了对通信控制器的要求。按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。
    ③低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2．4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
    ④近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
    ⑤短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。
    ⑥高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
    ⑦高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码。
    ⑧免执照频段。采用直接序列扩频存工业科学医疗(ISM)频段，2．4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz (欧洲)。

2 PLC中继器的硬件设计
    PLC中继器应用场景框图如图1所示：

    中继器链接在电力网络和ZigBee网络之间，转发不同网络之间的数据信息。
    PLC中继器的硬件架构框图如图2所示：

    PLC中继器的核心模块为主控制处理器和ZigBee模块、中继器的主控制处理器是意法半导体公司生产的ST7590芯片。它带有8051内核，可以提供中继器基本的控制支持；它还带有SPI／USART接口，支持对外设的扩展。最重要的是，它还自带了支持PRIME协议的物理层／MAC层DSP处理芯片，以及电力线通信的模拟前端，使得ST7590非常具有可操作性，来满足智能电网的通信要求。它提供一个具有灵活性、可扩展性及未来性的电力线通信平台，可轻松适应各类智能电网的应刚需求和协议标准。
    ZigBee模块采用的是德州仪器公司生产的CC2520芯片。CC2520是TI(德州仪器)的第二代ZigBee／IEEE 802．15．4射频收发器，工作于2．4 GHz频段。该芯片可以提供最先进的工业级应用，优越的链路估计，可以存-40Ω～125摄氏度下工作此外，CC2520提供了广泛的的硬件处理技术，支持帧处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据验证、信道评估、链路质量指示和帧定时信息这些功能，减轻了主机控制器的负荷。存一个典型的系统中，CC2520将与ST7590一起完成中继操作。CC2520与ST7590的接口图如图3所示。

    我们使用ST7590的SPI通道与CC2520进行通信。CC2520的SCLK端口与ST7590的SPICLK0相连，作为SPI的时钟信号。CC2520的SO端口与ST7590的SPIMIS00相连，CC2520的SI信号与ST7590的SPIMIS10相连，CC2520的CSn与ST7590的nSS0相连，SCLK、SO、SI与CSn端口共同完成CC2520和ST7590的SPI通信。CC2520的VREG_EN是CC2520的电源自检端口，与ST7590的GPI06相连，用来进行CC2520的启动确认。CC2520的GPIO0～GPIO5与ST7590的GPIO0～GPIO5相连，为ST7590的GPIO0～GPIO5提供中断源。

3 PLC中继器的软件设计
    存硬件架构的基础上，我们进行了PLC中继器的软件设计。
    在系统启动时，ST7590首先对控制器和CC2520等硬件驱动进行初始化操作。初始化成功后，指示模块灯亮，随后ST7590和CC2520进入各自的网络监听任务。
    中继器的核心任务是不同协议的数据包转发功能，也就是ZigBee协议数据包的封装和解封装实现。如图4所示。

    首先，我们要定义两个中继器的ZigBee节点MAC层报头配置。
   
    其中，plc_destAddr、plc_srcAddr、plc_panld是本地ZigBee网络的目的节点地址、源节点地址和子网ID。
    (1)PRIME->ZigBee现
    PRIME->ZigBee的实现框图如图5所示：

    ①当ST7590从电力线网络中监听到数据包data后，得到数据包的长度L，所以ZigBee数据包的长度为L_ZigBee=L+12；将L_ZigBee放入ZigBee的MAC层报头，将data放入ZigBee的MAC层负载。
    ⑦判断CC2520是否有任务，等待空闲后，判断信道竞争机制CSMA／CA，等待信道空闲，ST7590通过SPI总线控制CC2520向目的节点发送ZigBee数据包。
    (2)ZigBee->PRIME实现
    ZigBee->PRIME的实现如图6所示。

    ①当CC2520收到ZigBee数据包后，首先根据ZigBee的MAC层数据，判断是否重传包，进行重传操作，或者进行ZigBee向PRIME的转发。
    ②如果是ZigBee向PRIME的转发，判断信道竞争机制CSMA／CA，等待信道空闲，首先向刚才的ZigBee节点发送确认帧。
    ③解封装ZigBee数据包，将ZigBee的MAC层负载传输给PRIME协议，进行电力线网络的传输。
    为了避免两个过程同时抢占硬件和软件资源，我们在中断中优先选择较为慢速的电力线通信网络的数据收发。
    通过(1)过程和(2)过程的交互，PLC中继器完成了ZigBee网络和电力线通信网络的数据交换。

5 结束语
    作为继IT革命后的下一代技术革命，智能电网搭建了能源产业链和新兴通信系统的未来发展必经之路。目前，处于全球萎缩状态的不仪仅是能源的供给，还有金融市场的暗流涌动，世界各国都将发展智能电网提升到首要的战略地位。而作为智能电网的核心传输网络，电力线通信网络的作用将会越来越成重要，成为民生生活不可或缺的一部分。
    本文尝试把未来有线通信的代表——电力线通信网络和短距离无线通信的代表——ZigBee相结合，所设计的基于ZigBee的窄带电力线通信中继器，将无线通信的优势弥补到电力线通信的不足中，希望可以用这样的一个新的网络形式，为电力线通信的创新应用打下可行性的基础。