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技術的熱計量遠程抄表系統(tǒng)設計方案，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，因而具有廣闊的應用前景。創(chuàng)新之處在于緊密結合當前應用實際，采用ZigBee技術組織無線自組網(wǎng)，對熱量計量進行遠程傳輸。

關鍵詞:ZigBee;CC2430;無線自組網(wǎng);熱計量表

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-128-03

Research of Reading System for Long-distance Heat Meter Based on ZigBee Technology

LIU Wei，ZHAO Liangfang，HE Junfen

(College of Electronic and Information，Three Gorges University，Yichang，443002，China)

Abstract:At present，the concentration of heating in the residential district is pursuing the charges by way of heat mea-sures reform.In this context，a design scheme of reading system for long-distance heat meter based on ZigBee technique is proposed，ZigBee protocol and the design scheme of hardware and software for this system are introduced.System designs the heat meter with the function of wireless transmission on ZigBee chip CC2430，temperature sensors，flow sensors，heat integral instrument，and makes use of wireless ad hoc network with a combination of GPRS，reading the flow rate and temperature of centralized heating in long-distance.The results prove that the system with easy to operate，low-cost and low power consumption advantages，which have broad application prospects.Innovation of this article is the application of the close combination of the current reality，the use of ZigBee Technology building up wireless ad hoc network，for remote measurement of heat meter.

Keywords:ZigBee;CC2430;wireless ad hoc network;heat meter

0 引 言

熱計量表可以用來測量暖氣等供熱設備的熱能。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》，熱計量表應采用一體式結構，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[1]。

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技術的低成本、低功耗、復雜度低、延時短等優(yōu)點，正是組建無線網(wǎng)絡的良好途徑。本文研究的遠程熱計量表就是基于ZigBee技術實現(xiàn)無線自動抄表功能的。

1 ZigBee技術簡介

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)絡技術。

ZigBee的基礎是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)絡層和API進行了標準化，同時聯(lián)盟還負責其安全協(xié)議、應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、荷蘭飛利浦半導體等公司共同組成[2]。

ZigBee協(xié)議棧由高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負責，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。應用匯聚層把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡上，主要包括安全屬性和多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。網(wǎng)絡層將采用基于Ad Hoc技術的路由協(xié)議，它在包含通用的網(wǎng)絡層功能的基礎上，還同底層的IEEE 802.15.4標準同樣省電[3]。另外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡的自組織和自維護，從而最大程度地方便消費者使用，降低網(wǎng)絡的維護成本。

2 系統(tǒng)結構與硬件設計

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)進行設置和控制。協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點采用ZigBee無線網(wǎng)絡方式進行通訊。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結構圖

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、AES128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[4]。

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。熱量表的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 熱計量表原理結構框圖

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:

Q=∫t1t0qmΔhdt=∫t1t0qρΔhdt

式中:Q為吸收或釋放的熱量(單位:J或W#8226;h);qm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:m3/h);ρ為流經(jīng)熱量表的水的密度(單位:kg/m3);Δ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)[5]。

將上式化為和式，為:

Q=∑ni=0qviρ(ht1-ht2)

式中:qvi為第i時刻流經(jīng)熱量表的體積;ht1，ht2分別為供水、回水的溫度下對應的比焓值。

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)與軟件設計

ZigBee無線網(wǎng)絡有三種網(wǎng)絡拓撲結構:星狀、串(樹)狀和網(wǎng)狀。每個網(wǎng)絡中都有惟一的一個協(xié)調(diào)器，它相當于有限局域網(wǎng)中的服務器，具有對本網(wǎng)絡的管理能力。網(wǎng)絡中只有全功能節(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)應用環(huán)境的復雜性，本文采取網(wǎng)狀自組織結構，每塊熱計量表都設置為全功能節(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)[6]，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡的大小修改協(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，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)絡覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點收到廣播后，做出應答，并定義自己的級別為1。協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的應答信號更新路由表。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)點轉發(fā)，以此類推。網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡拓撲結構

每隔若干個小時，網(wǎng)絡自動對路由節(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)絡正常，否則，未收到確認信號的節(jié)點將重新加入網(wǎng)絡。

3.2 數(shù)據(jù)的轉發(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，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)絡中的某個節(jié)點。

在數(shù)據(jù)的轉發(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)回復一個確認信號，當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)[7-9]。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[10]。

4 結 語

ZigBee技術是一門新興的無線通訊技術。隨著無線通信技術飛快發(fā)展，無線技術在智能住宅小區(qū)中應用是一個優(yōu)勢，也是趨勢。因此設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)議的基礎上，提出將其應用于遠程無線熱計量抄表系統(tǒng)中。

圖4 路由節(jié)點軟件流程圖

圖5 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

參考文獻

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