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  • 基于ZigBee的電力線通信中繼器設(shè)計方案

    2013-10-23 14:36:19 廣電電器網(wǎng)  點擊量: 評論 (0)
    0 引言電力線通信技術(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)

    0 引言

    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。

    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(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(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

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