郭祖臣

摘要：Zigbee是一種低成本、低能耗、全雙工的無(wú)線通信協(xié)議。本文闡述了Zigbee無(wú)線控制器實(shí)現(xiàn)的功能和軟硬件結(jié)構(gòu)以及上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能。對(duì)目前熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題提出了一種可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：Zigbee無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

隨著對(duì)供熱系統(tǒng)節(jié)能研究的深入，熱計(jì)量與溫度控制已成為當(dāng)前暖通行業(yè)關(guān)注與研究的焦點(diǎn)，具有較高的技術(shù)含量，是一個(gè)高科技有效應(yīng)用于有關(guān)國(guó)計(jì)民生的典范，具有廣闊的市場(chǎng)空間。本研究通過(guò)對(duì)GPRS無(wú)線通信模塊和Zigbee射頻模塊的控制進(jìn)行溫度、流量和壓力數(shù)據(jù)的傳輸與交互，為智能熱量表和智能溫控閥預(yù)留了接口，解決了使用Modem過(guò)程中存在的問(wèn)題，而使用智能熱量表計(jì)量和使用智能溫控閥控制可以解決熱計(jì)量不透明的問(wèn)題，為最終實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)藿提供前提條件。

1關(guān)于Zigbee技術(shù)

傳感和控制設(shè)備的通信并不需要高的帶寬，但是要求低的反應(yīng)時(shí)間，非常低的能量消耗，以及大范圍的設(shè)備分布。Zigbee協(xié)議正是為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳感和控制設(shè)備之間的通信提供了一個(gè)極好的解決標(biāo)準(zhǔn)。zigbee是一種短距離、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低消耗功率與低傳輸速率的無(wú)線通信技術(shù)，其傳輸距離約為幾十米，使用頻段為免費(fèi)的2.4GHz頻段，傳輸速率為20—250KB／s網(wǎng)路架構(gòu)具有Master／Slave屬性，并可雙向通信。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂方面，主要是IEEE802.15.4小組與Zigbee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee聯(lián)盟制訂Zigbee可支持星形、樹形和網(wǎng)狀3種網(wǎng)路架構(gòu)。相對(duì)于其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建大范圍的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，將Zig-bee技術(shù)應(yīng)用到集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)中將有非常誘人的前景。

2系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)熱網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、測(cè)量、記錄熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行參數(shù)(溫度、壓力和流量)的超限報(bào)警；完成日常的管理工作，包括報(bào)表的生成和打印，熱網(wǎng)計(jì)量管理，控制器的工作參數(shù)設(shè)定，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，運(yùn)行數(shù)據(jù)的匯總和綜合分析和歷史數(shù)據(jù)的備份等功能。通過(guò)對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)控制，使整個(gè)系統(tǒng)供熱均勻，滿足舒適性要求，同時(shí)減少熱量消耗，達(dá)到節(jié)能的目的，為最終實(shí)現(xiàn)“熱”的商業(yè)化和市場(chǎng)化提供前提條件。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)總體上可以分為3層：管理層、采集控制層和現(xiàn)場(chǎng)儀表層，而現(xiàn)場(chǎng)儀表層又可以分為Zigbee總節(jié)點(diǎn)和Zigbee分節(jié)點(diǎn)。

2.2.1管理層管理層位于熱力公司主站，由以工業(yè)控制機(jī)為核心的網(wǎng)絡(luò)組成，工業(yè)控制機(jī)全天候運(yùn)行。工業(yè)控制機(jī)既是調(diào)度中心的服務(wù)器，同時(shí)相對(duì)于各采集控制站點(diǎn)來(lái)說(shuō)，又是客戶機(jī)。服務(wù)器通過(guò)ADSL實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)來(lái)自各客戶機(jī)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)各站點(diǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.2采集控制層采集控制層位于各熱力公司分站，實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、監(jiān)視和處理來(lái)自智能傳感器的信號(hào)，完成采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且能夠隨時(shí)設(shè)定超限報(bào)警等參數(shù)。

2.2.3現(xiàn)場(chǎng)儀表層現(xiàn)場(chǎng)儀表層位于各個(gè)熱用戶的住宅內(nèi)，分為Zigbee總節(jié)點(diǎn)PICF4620通信，將溫度信號(hào)采樣、調(diào)理直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字和Zigbee分節(jié)點(diǎn)。Zigbee總節(jié)點(diǎn)由Zigbee芯片CC2420和GPRS模塊等組成，而Zigbee分節(jié)點(diǎn)由智能溫度、壓力、流量傳感器，Zigbee芯片CC2420和LCD等組成，智能傳感器將實(shí)物理量經(jīng)過(guò)采集、調(diào)理直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)通Zigbee和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給采集控制層。

2.3系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分由上位機(jī)與下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)部分由Pc機(jī)組成，下位機(jī)部分由Zigbee總節(jié)點(diǎn)控制器和Zigbee分節(jié)點(diǎn)控制器組成。Zigbee總節(jié)點(diǎn)控制器選用Microchip的PICF4620芯片作為核心，安裝在各個(gè)樓層的公共位置：Zigbee分節(jié)點(diǎn)控制器選用Microchip的PICF4620芯片作為核心，安裝在各個(gè)熱用戶的住宅內(nèi)。GPRS模塊選用Motorola的G200G20是該公司推出的內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議的GSM／GPRS模塊，性能優(yōu)越，體積小巧，而且解決了GSM／GPRS模塊無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸終端的協(xié)議瓶頸和成本問(wèn)題。該模塊廣泛應(yīng)用于短信中心、GPRS監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線POS機(jī)、無(wú)線抄表、車輛防盜等。G20通過(guò)UART與PICF4620進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號(hào)在Zigbee總節(jié)點(diǎn)控制器和上位機(jī)之間進(jìn)行雙向的傳遞。Zigbee是一種低成本、低能耗、全雙工的無(wú)線通信協(xié)議。Zigbee模塊選用Microchip生產(chǎn)的CC2420芯片及其自主開發(fā)的Microchip協(xié)議棧1.0精簡(jiǎn)版。CC2420芯片通過(guò)SPl與單片機(jī)PICF4620通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號(hào)在Zigbee總節(jié)點(diǎn)控制器和Zigbee分節(jié)點(diǎn)控制器之間進(jìn)行雙向的傳遞。DS1821是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種新型單線可編程智能溫度傳感器。DSl821通過(guò)I／O接口與單片機(jī)PICF4620通信，將溫度信號(hào)采樣、調(diào)理直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)再通過(guò)Zigbee和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)。

2.3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件部分由下位機(jī)與上位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)數(shù)據(jù)(溫度、壓力和流量)的采集與傳輸，對(duì)熱閥的控制和超限現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警等功能。下位機(jī)軟件又可以分為Zigbee總節(jié)點(diǎn)部分和Zigbee分節(jié)點(diǎn)部分。Zigbee總節(jié)點(diǎn)軟件部分負(fù)責(zé)將Zigbee分節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)和信號(hào)集中，通過(guò)GPRS模塊傳送到上位機(jī)，將上位機(jī)發(fā)送的控制指令向下傳給Zigbee分節(jié)點(diǎn)：Zigbee分節(jié)點(diǎn)軟件部分負(fù)責(zé)將智能傳感器采集到的數(shù)據(jù)和信號(hào)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送到Zigbee總節(jié)點(diǎn)，接收Z(yǔ)igbee總節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制指令去控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)智能熱閥的自動(dòng)控制。在熟悉Microchip協(xié)議棧1.0精簡(jiǎn)版和AT指令集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智能傳感器的戶內(nèi)溫度、壓力和流量測(cè)量，然后通過(guò)Zigbee和GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)包括用戶管理及參數(shù)配置，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示和報(bào)表打印等功能。作為一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)其安全性的設(shè)計(jì)是非常重要的。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序登錄時(shí)應(yīng)有密碼保護(hù)，對(duì)使用人員有權(quán)限設(shè)定，能夠?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史記錄進(jìn)行恢復(fù)和備份，這些安全手段都有效地保證了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的安全。此外，由于監(jiān)控系統(tǒng)可以適用于熱網(wǎng)的不同情況，因此熱網(wǎng)的一些基本參數(shù)有時(shí)會(huì)需要改動(dòng)。監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行修改，方便管理人員對(duì)熱網(wǎng)的操作和管理。

3結(jié)束語(yǔ)

采用Zigbee這種短距離無(wú)線通信技術(shù)，在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案中不需要重新布線就可以有效地進(jìn)行溫度采集和控制：GPRS通信方式有瞬問(wèn)上網(wǎng)、永遠(yuǎn)在線、快速傳送、按量計(jì)費(fèi)、數(shù)據(jù)吞吐量大的優(yōu)點(diǎn)。所以基于Zigbee和GPRS技術(shù)的系統(tǒng)可以給熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集增加一種新的解決方案，但也需要對(duì)熱閥進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)。隨著無(wú)線通信的發(fā)展，Zigbee短距離無(wú)線通信技術(shù)和GPRS移動(dòng)通信技術(shù)將在工控系統(tǒng)中有廣闊的發(fā)展前景。