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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展，這一趨勢獲得了計量表生產商和能源配送相關服務商的積極推動，而不少政府機構也認識到了遠程抄表和配電網遠程管理的優勢之所在，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范的委員會的成立。 計量表必須具有安全穩健的通信協議，以應對惡劣的安裝布局，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磁場或感應電場篡改的能力。計量表還必須擁有長達數月的事件記錄功能，以應付長時間無法與接入點進行通信的情況。另一個常見的要求則與計量程序有關，就是計量表必須在固件升級時也能如常進行工作，并確保達到某些安全參數。另外，在必須配備電池供電的情況下(至少在燃氣表中是如此)，設備的總能耗必須非常低。 無線電協議 在分析本節的這些要求和選擇時，我們可以列出針對計量應用的通信協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當是采用射頻通信。其最主要的參數包括： 高能效：以確保電池壽命較長，并減少抄表人員的工作量;數據可靠且穩健，因為信息的完整性是絕對關鍵的要素; 安全性：必須采用復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必須符合公用事業自身完善定義的要求; 網絡必須可配置：其自身必須能夠自動進行配置和重配置，以適應工作環境，并按照工作環境的要求而演進。這是因為環境條件可能隨時間而發生變化，譬如，兩座建筑物原本采用無線電進行通信，而后來兩者之間興建了第三座建筑物，阻斷了這種聯系，而一個可自發展并自動重配置的靈活網絡就可以解決這些問題; 安裝及維護簡便：計量表網絡必然具有多個節點，而網絡本身也非常復雜。下一代計量表需要通過協議來管理網絡，該協議必須能夠涵蓋所有可能的情況，同時保證最大的靈活性，使操作人員僅需執行計量表節點的定位和啟動等基本操作; 開放式協議：協議不應是專有協議、而應是開放式協議，以避免在潛在供應商之間出現競業禁止(non-competition)的問題。協議必須能夠認證，且能夠保證各供應商產品之間的互操作性。 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已被選為智能電網的標準。ZigBee基于IEEE 802.15.4標準，并擁有一個堆棧結構。全球授權使用的頻率為2.4GHz，而不同地區的1GHz以下(sub-GHz)頻率分別為：中國783MHz，歐洲868MHz，美國915MHz。在計量應用，尤其是在室外的計量應用中，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，采用最新代的收發器可以擴大點到點的范圍，這將有助于簡化網絡，減少具有路由功能的節點數目。Atmel公司的IEEE 802.15.4兼容收發器AT86RF212就是一例，能夠提供高達120dBm的鏈路預算。 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，網狀型網絡就能發揮出重要的作用。成熟且可靠的網狀網絡協議，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收發器 Atmel擁有多種2.4GHz收發器(如AT86RF231)及sub-GHz收發器(如AT86RF212)，這兩類產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協議。這些收發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的ZigBee PRO和Smart Energy Profile庫。ZigBee PRO和Smart Energy Profile均已通過認證。 這種解決方案在功耗方面性能極好，在輪詢狀態下，整個系統的平均電流值可小至數百納安。在無外部放大器的情況下，鏈路預算可達120dBm，這一參數直接體現出了可通過的距離，故可降低路由器的使用。所需路由器越少，便越能降低成本、維護和電池消耗。然而，具有路由選擇對解決棘手的網絡配置問題也至關重要，合適的點到點傳輸距離和有限的路由器數量都有助于優化集中度。如果各節點主要是精簡功能設備(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調制及100kbs波特率的868MHz。在這種配置之下，就有可能充分發揮波長所保證的范圍和靈敏度方面的優勢，同時，優化傳輸速度、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，協議均相同。在這兩種情況下，所有重傳和應答機制都將被采用，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，視乎公用事業本身所需而采用的“認證中心”的要求而定)等。 在2.4GHz和sub-GHz上還采用了直接序列擴頻(DSSS)技術。得益于DSSS，我們不必探討單個868MHz信道。0到868MHz信道擁有足夠寬的頻帶，能夠發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送冗余數據。這樣，在一個子信道上出現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據流服務。 鏈路預算是接收靈敏度、傳輸功率和天線增益的總和。鏈路預算定義了在點到點鏈路上兩個無線電設備之間的鏈路失去之前，允許產生哪些路徑損耗。由于無線電通信與傳播環境密切相關，一個能對無線電設備進行參數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”處接收到的數據流，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。 |
