基于Zigbee的自動抄表系統設計

　　另一方面，圖1示例了一個真實的環境仿真。藍線代表868MHz傳輸，紅線則為2.4GHz傳輸。連續拋物線與自由空間衰減有關，而另一種曲線是發射易受相長干擾和相消干擾(源于衍射、發射、衰減及由此引起的多路徑等現象)影響的遠程信號的功率線。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，有效距離可達最初的數十甚至數百米。

　　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、波特率及調制方式可能發生變化，同一個IEEE 802.15收發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無線收發器系列也是在此設計。

　　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，因為網絡須由協議管理，所以選擇最合適的協議也許將更重要。正是協議(如ZigBee)的復雜性，使得設計人員能夠設計出復雜的傳感器或計量表網絡，安裝大量的計量表，利用單個集中器進行管理，從最困難的位置到達集中器，并隨環境狀況變化而改進。此外，由于ZigBee是經過認證的，這就保證了各供應商產品之間的互操作性。

　　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內核的MCU。在計量表的設計方面，提供了帶有400段LCD控制器的低功耗ARM7(AT91SAM7L)，或者是采用了PicoPOWER技術并帶有多達160個段的LCD控制器的AVR Mega內核，或AVR XMEGA。至于集中器方面，Atmel可通過ARM或AVR32將產品提升到高達數百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(由硬件觸發產生)，另外也包括一個16/32位實時計量表(RTC)。它包含一個內置加密算法加速器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。

　　picoPOWER技術

　　picoPOWER技術備有5種節能模式。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。這些設備在1.6V至3.3V電壓下可保持全功能運作，可以優化動態功耗(Pdyn=K*Vcc2*f，與電源電壓的平方及頻率成正比)。由于對架構進行了優化，AVR可在每Hz頻率周期內發送一條指令，這樣ZigBee PRO就可以在低頻(比如4或8MHz)下進行工作。

　　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節電模式，支持實時時鐘和節電檢測激活;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器無線電的耗電情況。若網絡工作在輪詢模式下，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，這些由數據、診斷和控制所構成的重要信息將被發送到集中的數據管理系統。顯示單元的能耗較高，所以必須使其處于關斷狀態，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提供了與該應用相結合的軟件庫，使設計人員可利用一塊銅片區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。設計人員可參考大量的指導性文件來設計電容性按鈕，但該方案最重要的優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，并由軟件進行管理。設計人員也可選用比簡單電容性按鈕更為復雜的傳感器。具有典型8位分辨率的傳感器可以提供256個觸摸位置，適用于創建滑塊或滑輪。按照Atmel提供的指南所描述的設計標準進行設計，可以實現角度位置或線性位置編碼器，以識別用于讀取燃氣或液體流量的轉子的位置，或確定開閥的準確位置。同樣，在電容傳感器上插補位置的算法可由軟件實現，而Atmel微控制器免費提供了相應的軟件庫。在任何情況下，測量值的讀取都需進行采樣。合理的采樣率可以使耗電量降至μA級的水平。

　　本文小結

　　Atmel認識到創建自動遠程抄表系統的重要性，并針對自動抄表系統優化了一個完整的解決方案。該方案包括用于無線網絡管理的臨時性協議(如ZigBee PRO Smart Energy Profile)，以及網關或運行中的加載程序的集成等特殊應用。顯示器控制由超低耗電量的微控制器處理，并通過存儲器區域的選擇性保護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計創新型按鈕和編碼器的電容傳感解決方案。