通常在電子儀表中使用通信技術,來配置儀表內的參數(shù)和傳送存儲的數(shù)據(jù)到主機。通信方式可以是有線(電話線和傳輸線等)或無線(IrDA和蜂窩無線網(wǎng)絡等)。一旦采用了通信端口,設計者就需要采取措施來保護儀表的內容。通信軟件應具有幾個安全級別。例如,首先,軟件應采用合理的方式只允許授權人員讀取儀表內容;第二,儀表應具有幾個訪問級別。比如,允許第一個級別的用戶讀儀表,允許第二個級別的用戶讀取和清除儀表數(shù)據(jù),允許第三個級別的用戶配置儀表內的參數(shù)等等。
1、有線通信
(1)電話線
電話線可能是地球上應用最廣的“網(wǎng)絡”。電話線最常用于電表通信,因為電話線的入室點通常跟電表很近。水表很有可能位于街邊,而氣表一般在房子的其他地方,需要額外的設施才能使用電話線。
電話線需要一個調制解調器才能進行通信。嵌入式調制解調器波特率在1200到56K之間。MCU和嵌入式調制解調器間的接口是一個簡單的串行端口和一些狀態(tài)和控制線。嵌入式調制解調器通常使用標準AT命令集通信,該命令集可以很方便地安裝在MCU上。諸如TDK Semiconductor、Xecom、Zoom和Wintec公司都提供調制解調器模塊和分立的調制解調器IC,可用于嵌入式系統(tǒng)的設計中。
乍一看會覺得使用電話線通信是個好方法。但儀表中廣泛采用的調制解調器需要使用本地號碼撥號上網(wǎng)。但業(yè)主通常不喜歡儀表撥打長途電話。該方法還要求基礎設施能處理這些撥入電話并與儀表通信,所以調制解調器必須能檢測是否有其他通話撥入并中止當前通信(這對緊急撥叫非常重要)。
(2)傳輸線
本技術采用交流傳輸線作為通信介質。傳輸線通信模塊通常位于電表內,便于與高壓交流傳輸線連接。 本技術不能同用于室內而非室外通信的X-10混淆,它所面臨的主要挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)傳輸要通過交流變壓器,該變壓器用于將傳輸線上極高的電壓(KV)降到240V入室電壓。 這些變壓器如同濾波器一樣,所以在變壓器間傳送數(shù)據(jù)的技術非常重要,需要使用擴頻或類似的通信技術?照{和冰箱會在傳輸線上產(chǎn)生大量的噪聲,調制解調器必須能在這種環(huán)境中可靠地傳輸數(shù)據(jù)。
傳輸線通信要求基礎設施能收集從室內傳送過來的數(shù)據(jù),通常是流經(jīng)變壓器的數(shù)據(jù)流。
這些收集“站”一般通過電話線將數(shù)據(jù)傳回到數(shù)據(jù)存儲設備。受技術限制,傳輸線調制解調器尚未成為主流技術,但AMRTech、Hunt Technologies和DCSI/TWACS公司都提供了基于該技術的解決方案。
Wi-Fi技術也屬于有線技術,因為它需要一個類似于有線以太網(wǎng)的網(wǎng)絡來連接和傳輸數(shù)據(jù)。不過,這些有線技術(如電纜調制解調器和以太網(wǎng)等)都沒有用于儀表,主要是因為它們需要業(yè)主訂購服務并需要安裝額外的配線。
2、無線技術
(1)ZigBee/IEEE 802.15.4
ZigBee過去又稱為HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly無線電技術,是一種應用于短距離范圍內,低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設備之間的無線通信標準。ZigBee是專為低速(通常20-40kbps)和短距離(<100米)通信而設計的,很適合將電表、氣表和水表通過網(wǎng)絡連在一起。
ZigBee協(xié)議棧使用IEEE 802.15.4無線收發(fā)器,目前,Chipcon、Atmel、Freescale、ZMD和Microchip等多家公司都可提供該產(chǎn)品。IEEE 802.15.4有3個頻段,允許在全世界范圍內工作:2.4GHz適用于全球,868MHz用于歐洲,而915MHz用于美洲。使用ZigBee的儀表需要使用IEEE 802.15.4收發(fā)器和運行ZigBee協(xié)議棧的MCU。
目前,Microchip可以提供2.4GHz收發(fā)器和免費ZigBee協(xié)議棧。其中,其PICDEM Z演示工具包是一個易于使用的ZigBee無線通信協(xié)議開發(fā)和演示平臺,包括ZigBee協(xié)議棧和兩塊帶有RF子板的PICDEM Z板(圖3)。該演示板還帶有一個6引腳標準連接器,用于直接與Microchip的MPLAB ICD 2在線調試器(DV164005)接口。使用MPLAB ICD 2,開發(fā)者可以在同一平臺上重新編程或修改PIC18 MCU閃存存儲器,開發(fā)和調試應用程序代碼。
(2)Z-WAVE
Z-Wave是Zensys開發(fā)的專用協(xié)議,數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps,工作頻率為868MHz或908MHz。Z-Wave廣泛用于如照明、家用電器和HVAC控制等室內控制應用上。在功能上它與ZigBee 類似,適合連接水表、氣表和電表,F(xiàn)在除了Zensys開發(fā)的模塊外,還沒有其他嵌入式模塊。Zensys也提供單芯片器件。
(3)紅外線
紅外技術雖然經(jīng)常會被忽略,但是因其低成本和技術成熟等突出優(yōu)勢目前已經(jīng)廣泛用于許多電表中,用于參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳輸。它遵循幾個標準:ANSI C12.18是有關連接器安裝物理尺寸的標準;IEC 62056規(guī)范是紅外線通信相關的協(xié)議和目錄。
目前這種類型的紅外端口常用于讀表系統(tǒng)。使讀表器靠近電表,將探頭放在連接器上,然后讀取電表內部存儲的數(shù)據(jù)。讀表器一般是運行數(shù)據(jù)讀取軟件的手持PDA或類似設備。目前,數(shù)據(jù)讀取軟件有GE的MeterMate等。
(4)專用短距離無線通信
現(xiàn)在市場上充斥著大量短距離無線通信設備。這些設備覆蓋314、433、868和915MHz頻段,比特率最高可達100kbps。諸如Chipcon、Micrel和Microchip公司提供獨立收發(fā)器和集成解決方案(收發(fā)器加MCU)。此類設計所面臨的挑戰(zhàn)是協(xié)議棧要由設計者創(chuàng)建。這樣將一個原本很簡單的應用程序分成了兩個應用程序:主應用程序和RF協(xié)議。幸運的是有些制造商已經(jīng)開發(fā)了簡單協(xié)議,從而縮短了工程進度。
(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窩式無線通信
另一個可行的技術是GSM/GPRS/CDMA調制解調器。它們非常適合遠程計量應用。例如,用于灌溉莊稼的水泵可能需要一個水表和一個電表。由于水泵的遠程特性,可能需要一個蜂窩式調制解調器將水泵信息傳送給檢測站。派專人去讀取儀表數(shù)據(jù)是不切實際的,因為路途很遠要花費很長的時間,所需費用遠超過調制解調器硬件的成本。公共事業(yè)公司通常會有許多此類儀表,通過協(xié)商還能降低每月調制解調器的服務費。
嵌入式蜂窩調制解調器大多使用簡單串行接口,并且使用標準AT命令集配置和使用電話。諸如Motorola、Sierra Wireless和Falcom等公司都制造基于GSM/GPRS和CDMA的嵌入式調制解調器。