ZigBee在智能电表网络中的应用

ZigBee的智能能源解决方案用于智能计量家庭区域网络（HAN），其中将包括电表，煤气表和家庭显示器。射频传播的试验表明，2.4GHz无线电可能达到约70%的覆盖率在英国家中不使用额外的设备，一般使用点对点或星型网络的ZigBee智能能源，不使用ZigBee网状网络的能力。这样做的主要原因是气体计量不能依靠路由器/中继器设备被供电，并由消费者控制，这样容易产生电源故障或篡改。

许多早期的基于2.4GHz 家庭区域网络（HAN）不能包含足够的电源供电设备创建一个网络和备用路径。在许多情况下，家庭显示器或燃气表需要能够直接与电表或通讯集线器进行通讯。额外的路由器将确保可靠的通信，但是他们会增加支持和硬件成本，会容易产生功率损耗和篡改。这个挑战突出了需要审查的ZigBee在无线频段2.4GHz频谱运营点至点的传播特性。一些开发人员在其他2.4 GHz的传播解决方案有过不好的经验，担心Zigbee在家庭应用中也会遇到类似的挑战，导致通讯失败和给消费者带来负面的使用体验。

在美国智能计量项目普遍使用ZigBee Smart Energy是一点安慰，因为美国法规允许设备比英国和欧洲（10mW/ + 10 dBm）传输更高的功率水平（100mW/ + 20 dBm）。它也可能是英国住房使用不同建材争论。然而，众多的ZigBee产品已经在欧洲使用，主要是在家庭自动化，智能照明和自动抄表市场，欧洲主要制造商对ZigBee的传播性能感到满意。然而，公布的测试数据并不总是可告诉市场。

英国队智能计量的兴趣不断增加，但是缺乏可用发表材料。Silicon Labs有许多组织在ZigBee传输测试方面非常有经验。Ember公司的ZigBee技术，是Silicon Labs收购Ember公司所得，已被广泛用于这些测试，包括Silicon Labs 公司的EM357 ZigBee片上系统（SOC），以及技术信息和建议的射频和ZigBee的事项。

在英国的智能计量的兴趣增加了缺乏可用的公布材料的磨砺，Silicon Labs公司已与一些组织ZigBee的传输测试经验。现在是Silicon Labs公司提供其收购Ember公司的产生，包括Silicon Labs的Ember公司的ZigBee EM357上系统芯片（SoC），已被广泛用于这些测试，以及RF和ZigBee技术信息和建议。

Silicon Labs公司的Ember SoC芯片是特别适合于这种类型的测试的原因有两个：

1、它可以支持最大发射功率为+8dBm，接收灵敏度为 -102 dBm，动态链路预算110 dBm，发送功率接近+10 dBm的欧盟法定上限无需外部PA或LNA的费用和功耗。

2、Silicon Labs公司的EM357是一个流行的解决方案，在美国和英国许多智能能源无线家庭区域（HAN）设备中,可以说是直接与市场相关。

下面的两个例子说明Silicon Labs的 ZigBee技术如何已经成功地支持在Sheffield大学与EDF能源集团完成这种类型的测试。

-Sheffield大学的测试

Sheffield大学的通信组的电子和电气工程系，在无线电波传播模型，主动和被动的频率选择表面（FSS），天线系统和无线系统设计方面具有专长。这个小组采用Silicon Labs EM357 芯片已进行了ZigBee通讯试验。它发表的一份报告，包含了控制细节，并且在多种建筑类型环境下进行了科学测试，包括排屋和公寓楼的地下室。

测试的设备包括米典型位置的燃气表和家庭显示器。它们包括一个固定装置，燃气表通常放置在地下室或在门前。第二装置，位于建筑物周围不同的位置，将消息发送到固定装置。这些所有的通讯信号都被进行测量，记录RSSI（接收信号强度指示器，单位dBm）和LQI（链路质量指标，值的范围0-255）。

下图来自Sheffield大学的公寓测试结果

试验1 窗户关闭：地下室数据，（一楼数据），[二楼数据]

图1 Sheffield大学进行的试验计划

（来源：Sheffield大学，ZigBee无线质量试验，2011）

结果是非常丰富的，给出了RSSI测试数据，参考装置（固定节点）在地面上的建筑的一角，RSSI读数从地面上，第一层和第二层不同位置。

表1 Sheffield大学测试结果

（来源：Sheffield大学，ZigBee无线质量试验，2011）

RSSI值揭示信号通过内部的墙壁以及自由空间是如何减弱的。它也表明，好的射频芯片的选择和良好的PCB设计的重要性。例如，一个测试使用的无线发射功率+5 dBm和-95 dBm的接收灵敏度，这表名动态链路预算10dBm的差异会影响这些结果。

LQI值也很有趣。值255表示一个质量好的链接，而较小的值表示芯片接收到的数据包存在错误。LQI的0值仍然可以成功接收到的数据包，但它是一个迹象表明，它将在环境变化导致的信号丢失很小。

EDF能源现场调查

Silicon Labs公司的Ember技术被用于EDF能源对ZigBee通讯性能测试中，测试使用的智能电表安装在公寓楼。 Silicon Labs的EM357使用在这个现场调查中，EDF能源发表到SMDG HAN工作组在英国智能计量工作实施计划中。

图2示出了类似Sheffield大学测试的模式。在这种情况下，在一个公寓楼地面楼层中心的仪表柜内的固定节点，测试连接到在6个不同的点上，这6个不同的点分布在6个不同公寓的同一楼层。

Packets Received >= 80% 

Packets Received >= 50% 

Packets Received < 50% 

图 2. EDF Energy 测试结果 (Source: SMDG HAN Work Group )

总结

与日益增长的兴趣使用ZigBee的智能计量在英国和世界其他地方，测试这些设备的传播特性在2.4 GHz建议技术选择，建筑设计和部署计划是很重要的。这些测试分析对这些过程提供有效的建议。这些测试可以鼓励更多的了解ZigBee在智能计量领域。

这些测试结果，以及由DECC委托测试，表明ZigBee在2.4GHz可用于智能计量斯在大多数的英国家庭，即使不能使用更高功率的ZigBee的网状网络时，特别是最佳的Zigbee射频性能和鲁棒性是用来实现的。