基于ZigBee的窄帶電力線通信中繼器的設計

摘要：在介紹窄帶電力線通信網絡的基礎上，提出了一種基于ZigBee的中繼器設計方案。該中繼器利用ZigBee作為電力線通信網絡的中繼器的物理層，從而可有效改善電力線通信節點在受限環境下傳輸的條件，擴展電力線通信網絡的覆蓋范圍。
關鍵詞：中繼器；ZigBee；電力線通信

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，利用電力線進行數據傳輸，通過專用的電力線調制解調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In-Housee通信)，中國為40～500kHz。
窄帶電力線通信是智能電網的第一選擇。建立雙向、集成、實時的通信系統是實現智能電網的基礎，沒有這樣的通信系統任何智能電網的特征都無法實現。因為智能電網的數據獲取、保護和控制都需要這樣的通信系統支持，因此建立這樣的通信系統是邁向智能電網的第一步。同時通信系統和電網一樣深入到干家萬戶，這樣就形成了兩張緊密聯系的網絡——電網和通信網絡，只有這樣才能實現智能電網的目標。
電力線網絡是一個覆蓋面廣、傳輸節點多的網絡，這意味著任何帶電終端都可以成為信息傳輸的起點和終點。
但是，電力線通信網絡同樣存在局限性。盡管擁有最廣泛的布線基礎設施，電力線通信網絡可以依靠電力網絡傳輸數據，但是，空氣開關、變壓器等電力網絡中的同定設施的不同濾波特性會對電力線通信網絡造成衰減，甚至阻斷。此外，對不方便進行電力線布線的室外，或者其它特殊區域，電力線通信網絡無法經由電力網絡進行通信。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的電力網絡的連接，同時利用ZigBee技術，也擴展了電力線通信網絡的覆蓋范圍。

1 ZigBee技術
Zigbee是基于IEEE 802．15．4標準的低功耗個域網協議。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來通知發現新的食物源的位置、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等產業巨頭發起的“HomeRFLite”。
ZigBee的底層技術基于IEEE 802．15．4協議，ZigBee的物理層和MAC層直接引用了IEEE 802．15．4協議的物理層和MAC層。
ZigBee優勢在于以下幾點：
①低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee-的突出優勢，而相同條件下，藍牙能工作數周、WiFi只可工作數小時。
②低成本。通過大幅簡化協議(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，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且ZigBee免協議專利費。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)的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。
④近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節點間的距離，如果通過路由和節點間通信的接力，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只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3s。
⑥高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。
⑦高安全。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)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼。
⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻存工業科學醫療(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：