基于ZigBee技術(shù)的熱計量遠程抄表系統(tǒng)研究

摘要：目前，在集中采暖的住宅小區(qū)中，正在推行按熱量計量的收費方式改革。在此背景下，創(chuàng)造性地提出一種基于ZigBee技術(shù)的熱計量遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計方案，敘述了ZigBee協(xié)議以及系統(tǒng)的硬件和軟件流程。系統(tǒng)利用ZigBee芯片CC2430、溫度傳感器、流量傳感器、熱量積分儀設(shè)計出具備無線傳輸功能的熱計量表，并采用無線自組網(wǎng)與GPRS相結(jié)合的方式，對集中供暖熱水流量和溫度進行遠程抄表。使用結(jié)果證明，該系統(tǒng)具備操作方便、成本低廉、功耗低等諸多優(yōu)點，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。創(chuàng)新之處在于緊密結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用實際，采用ZigBee技術(shù)組織無線自組網(wǎng)，對熱量計量進行遠程傳輸。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無線自組網(wǎng)；熱計量表

0 引言
    熱計量表可以用來測量暖氣等供熱設(shè)備的熱能。根據(jù)最新國際、國內(nèi)標準，《城市行業(yè)標準》和《計量檢定規(guī)程—熱能表》，熱計量表應(yīng)采用一體式結(jié)構(gòu)，包括流量計、供水和回水溫度檢測、供水閥門控制器等。該表主要用于城市集中供熱上，便于實行一戶一表，分戶計量，按熱收費。
    與傳統(tǒng)的熱計量表相比，無線遠程熱計量表具有安裝布置靈活、成本低廉、自動控制、不需工作人員上門抄表等優(yōu)點。ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、復(fù)雜度低、延時短等優(yōu)點，正是組建無線網(wǎng)絡(luò)的良好途徑。本文研究的遠程熱計量表就是基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線自動抄表功能的。

1 ZigBee技術(shù)簡介
    ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率的近距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
    ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802．15．4，這是IEEE無線個人區(qū)域工作組的一項標準。但IEEE 802．15．4僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，所以ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層和API進行了標準化，同時聯(lián)盟還負責(zé)其安全協(xié)議、應(yīng)用文檔和市場推廣等。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，由英國Invensys、日本三菱電氣、美國摩托羅拉、荷蘭飛利浦半導(dǎo)體等公司共同組成。
    ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zig-Bee聯(lián)盟負責(zé)，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。應(yīng)用匯聚層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性和多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。網(wǎng)絡(luò)層將采用基于Ad Hoc技術(shù)的路由協(xié)議，它在包含通用的網(wǎng)絡(luò)層功能的基礎(chǔ)上，還同底層的IEEE 802．15．4標準同樣省電。另外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護，從而最大程度地方便消費者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護成本。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計
    無線遠程熱計量自動抄表系統(tǒng)由PC上位機、協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點組成。協(xié)調(diào)器通過GPRS與電腦上位機連接，可以通過PC軟件顯示和查看信息，同時也可以通過PC軟件對系統(tǒng)進行設(shè)置和控制。協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)方式進行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)的核心是ZigBee芯片CC2430，它是TI公司推出的支持ZigBee協(xié)議的系統(tǒng)芯片(SoC)。它在單芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。其內(nèi)嵌增強型8051 MCU，8 KB RAM，128 KB FLASH，包含8路ADC、3個定時器、AESl28加密電路、MAc協(xié)處理器、看門狗定時器、21個可編程I／O引腳，并支持4種休眠模式。
2．1 帶路由功能的熱計量表
    帶路由功能的熱計量表由ZigBee芯片cc2430、流量傳感器、溫度傳感器、熱量積分儀、LcD顯示、鍵盤電
源電路等組成。熱量表的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    儀器安裝在用戶的供水管上，并將溫度傳感器分別裝在供水與回水管路上。通過對熱水流量和供水、回水溫度的采樣，按照流量和熱量公式通過熱量積分儀自動計算流量和熱量。其基本原理公式為：

式中：Q為吸收或釋放的熱量(單位：J或W·h)；qm為流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量(單位：kg／h)；q為流經(jīng)熱量表的體積流量(單位：m3／h)；ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度(單位：kg／m3)；△h為在熱交換系統(tǒng)的入口與出口溫度下，水的比焓值差(單位：J／kg)；t為時間(單位：h)。
    將上式化為和式，為：

式中：qui為第i時刻流經(jīng)熱量表的體積；hti，ht2分別為供水、回水的溫度下對應(yīng)的比焓值。
2．2 協(xié)調(diào)器
    協(xié)調(diào)器一方面采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)方式同路由節(jié)點連接，另一方面采用GPRS與上位機電腦連接，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。因此在ZigBee芯片CC2430外擴展GPRS模塊。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)與軟件設(shè)計
    ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星狀、串(樹)狀和網(wǎng)狀。每個網(wǎng)絡(luò)中都有惟一的一個協(xié)調(diào)器，它相當(dāng)于有限局域網(wǎng)中的服務(wù)器，具有對本網(wǎng)絡(luò)的管理能力。網(wǎng)絡(luò)中只有全功能節(jié)點(Full Function Device)才可以作為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點使用，而半功能節(jié)點(Reduce Function Device)只能作為終端節(jié)點使用。
    考慮到系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，本文采取網(wǎng)狀自組織結(jié)構(gòu)，每塊熱計量表都設(shè)置為全功能節(jié)點。默認的ZigBee協(xié)議棧支持5級路由深度，每個路由器可以連接20個節(jié)點(最多包括6個路由器節(jié)點，14個終端節(jié)點)，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的大小修改協(xié)議棧，從而提高路由深度和連接的節(jié)點數(shù)。
3．1 ZigBee無線自組網(wǎng)的建立
    各節(jié)點進行自組織，建立網(wǎng)絡(luò)，由于自組織前，各節(jié)點路由表都是空白的，自組織過程只能用廣播方式聯(lián)系其他節(jié)點。協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播(默認協(xié)調(diào)器節(jié)點級別為0)，處于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點收到廣播后，做出應(yīng)答，并定義自己的級別為1。協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的應(yīng)答信號更新路由表。級別為1的節(jié)點收到協(xié)調(diào)器的應(yīng)答信號后，各自廣播，節(jié)點收到信號，定義自己為2級節(jié)點。依次類推，網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點會得到一張路由表。在自組織過程中，某些節(jié)點可能收到來自不同級別的其他節(jié)點發(fā)送的廣播，根據(jù)上述規(guī)則，節(jié)點會定義自己為幾個不同的級別，程序取其中最低級別(最靠近協(xié)調(diào)器)的級別。
    當(dāng)有新節(jié)點加入時，節(jié)點發(fā)送廣播，收到廣播的節(jié)點發(fā)送返回信息，新節(jié)點根據(jù)返回信息自動選擇兩個路由層低，鏈路信號好的節(jié)點作為自己的父節(jié)點，同時，自身的路由層在父節(jié)點路由層上加1。當(dāng)新節(jié)點加入網(wǎng)路后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求，下一跳為自身父節(jié)點，目的地址為協(xié)調(diào)器。父節(jié)點收到綁定信號好后，向上一級
父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，以此類推。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3所示。

    每隔若干個小時，網(wǎng)絡(luò)自動對路由節(jié)點進行維護，每個節(jié)點均向協(xié)調(diào)器發(fā)送一條路由維護信息，協(xié)調(diào)器收到節(jié)點信息，將返回確認信息。如每個節(jié)點都收到返回信息，則證明網(wǎng)絡(luò)正常，否則，未收到確認信號的節(jié)點將重新加入網(wǎng)絡(luò)。
3．2數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)
    在該無線自組網(wǎng)中，能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器的節(jié)點只有1級節(jié)點，1級以下節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，必須通過數(shù)據(jù)的多點跳轉(zhuǎn)，反之，協(xié)調(diào)器可以通過單挑或多條方式發(fā)送命令字或數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點。
    在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，會根據(jù)每個節(jié)點中所記錄的父節(jié)點地址和子節(jié)點地址進行雙向的傳遞，對于熱計量表檢測所得到的熱量數(shù)據(jù)，只需要封裝在數(shù)據(jù)包內(nèi)，就可以將數(shù)據(jù)方便快速地發(fā)送到協(xié)調(diào)器。在發(fā)射數(shù)據(jù)后會在一段時間內(nèi)回復(fù)一個確認信號，當(dāng)收到一個確認信號后，確認數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送到下一個目標則不再重送，否則會對目標重送數(shù)次，多次失敗后會確認此目標有問題，然后選擇備用路由發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。

3．3 熱計量信息的遠程傳輸
    各熱計量表所檢測的熱計量信息，將通過協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS模塊的鏈接，傳送到遠程上位機上，從而實現(xiàn)遠程抄表。在協(xié)調(diào)器節(jié)點與GPRS的數(shù)據(jù)交互中，應(yīng)該遵循約定好的報文格式，以便上位機能夠更好地解析報文。協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語
    ZigBee技術(shù)是一門新興的無線通訊技術(shù)。隨著無線通信技術(shù)飛快發(fā)展，無線技術(shù)在智能住宅小區(qū)中應(yīng)用是一個優(yōu)勢，也是趨勢。因此設(shè)計一種有競爭力的智能住宅小區(qū)遠程抄表系統(tǒng)顯得尤為必要。針對目前北方住宅小區(qū)即將全部改換分戶熱計量的供熱方式，本文在充分研究了ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出將其應(yīng)用于遠程無線熱計量抄表系統(tǒng)中。