基于Zigbee的自动抄表系统设计

的平均电流值可小至数百纳安。在无外部放大器的情况下，链路预算可达120dBm，这一参数直接体现出了可通过的距离，故可降低路由器的使用。所需路由器越少，便越能降低成本、维护和电池消耗。然而，具有路由选择对解决棘手的网络配置问题也至关重要，合适的点到点传输距离和有限的路由器数量都有助于优化集中度。如果各节点主要是精简功能设备(RFD)，并且波特率又足够高(比如100kbps)，则可考虑增加单个接入点下的集中度。

表1所示为IEEE 802.15.4规范下各种可能的无线电配置。其中感兴趣的配置之一是带有O-QPSK调制及100kbs波特率的868MHz。在这种配置之下，就有可能充分发挥波长所保证的范围和灵敏度方面的优势，同时，优化传输速度、降低功耗，并提高集中度。

不过必须留意的是，无论是2.4GHz或是sub-GHz，协议均相同。在这两种情况下，所有重传和应答机制都将被采用，比如载波侦听多点接入/冲突避免(CSMA/CA)，以及安全机制(AES128加密和高安全性密钥分发，视乎公用事业本身所需而采用的"认证中心"的要求而定)等。

在2.4GHz和sub-GHz上还采用了直接序列扩频(DSSS)技术。得益于DSSS，我们不必探讨单个868MHz信道。0到868MHz信道拥有足够宽的频带，能够发送出若干条谱间冗余的频率线，这有点类似于采用多个子信道并在其上发送冗余数据。这样，在一个子信道上出现的干扰就不会影响到传输性能。此外，不可忽略的另一点是，在868MHz下，由于占空比的限制，不允许将该频带用于数据流服务。

链路预算是接收灵敏度、传输功率和天线增益的总和。链路预算定义了在点到点链路上两个无线电设备之间的链路失去之前，允许产生哪些路径损耗。由于无线电通信与传播环境密切相关，一个能对无线电设备进行参数化及比较的客观方法是利用Friis定理来测量它们在自由空间中接收信号的能力：

上式描述了在与源Tx相距"d"处接收到的数据流，以及全向天线的实际接收开放程度的分布。我们可以看出，2.4GHz的衰减大于sub-GHz的衰减，这种情况将随波长平方的增长而变得更糟。

另一方面，图1示例了一个真实的环境仿真。蓝线代表868MHz传输，红线则为2.4GHz传输。连续抛物线与自由空间衰减有关，而另一种曲线是发射易受相长干扰和相消干扰(源于衍射、发射、衰减及由此引起的多路径等现象)影响的远程信号的功率线。这里需要注意的是，在2.4GHz，随着距离的增大，将会出现真实的"裂口"，其中的信号将会被干扰所抵消。而868MHz ZigBee却能避免这一问题，有效距离可达最初的数十甚至数百米。

最后，2.4GHz频率极易被水所吸收，因为它是水的谐振频率之一。

由于频率、波特率及调制方式可能发生变化，同一个IEEE 802.15收发器在自由空间范围方面会具有截然不同的性能水平(表2)。图2所示是对AT86RF212和AT86RF231测量得到的结果，此测试于Atmel位于德国德累斯顿的总部完成，ZigBee MCU无线收发器系列也是在此设计。

综上所述，选择正确的频率将有助于在恶劣的传输条件下提高性能水平，但是，因为网络须由协议管理，所以选择最合适的协议也许将更重要。正是协议(如ZigBee)的复杂性，使得设计人员能够设计出复杂的传感器或计量表网络，安装大量的计量表，利用单个集中器进行管理，从最困难的位置到达集中器，并随环境状况变化而改进。此外，由于ZigBee是经过认证的，这就保证了各供应商产品之间的互操作性。

微控制器的选择

Atmel提供了百余款从8位到32位，基于AVR、AVR32和ARM内核的MCU。在计量表的设计方面，提供了带有400段LCD控制器的低功耗ARM7(AT91SAM7L)，或者是采用了PicoPOWER技术并带有多达160个段的LCD控制器的AVR Mega内核，或AVR XMEGA。至于集中器方面，Atmel可通过ARM或AVR32将产品提升到高达数百MHz上，比如AP7000。

以XMEGA为例，它是一款工作在32MHz下的8位32MIPS MCU，带有一个DMA控制器和一个事件管理机制(由硬件触发产生)，另外也包括一个16/32位实时计量表(RTC)。它包含一个内置加密算法加速器AES128与T-DES、128MHz PWM信道，不但成本极低，而且最重要的是采用了picoPOWER技术。

picoPOWER技术

picoPOWER技术备有5种节能模式。一个Vbat引脚可用于备用电池，以保证外接超低功耗32位RTC与32.768kHz石英晶体振荡器的功能。这些设备在1.6V至3.3V电压下可保持全功能运作，可以优化动态功耗(Pdyn=K*Vcc2*f，与电源电压的平方及频率成正比)。由于对架构进行了优化，AVR可在每Hz频率周期内发送一条指令，这样ZigBee PRO就可以在低频(比如4或8MHz)下进行工作。

AVR PicoPOWE