康文龍， 計(jì) 東

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

能源問題與國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展以及社會的健康運(yùn)行有非常緊密的聯(lián)系，在當(dāng)前能源逐漸緊缺以及科學(xué)技術(shù)水平逐漸發(fā)展的過程中我國對于節(jié)能工作的重視逐漸提升[1，2]。目前在我國通常一個小區(qū)和樓層使用同一個溫控閥，一般采用包費(fèi)制的收費(fèi)方法[3]，這種收費(fèi)方式主要存在兩個缺陷：用戶無法對取暖費(fèi)進(jìn)行選擇，不利于調(diào)動用戶節(jié)能積極性，甚至很多用戶采用開窗散熱的方式來解決室溫過高的問題；居民在選擇住宅時(shí)并不傾向于價(jià)格較高和保溫性較好的住宅，這進(jìn)一步的降低了開發(fā)商開發(fā)這種類型住宅的動力，對于整個建筑行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生消極影響。在以上幾種因素的影響下，相比于發(fā)達(dá)國家，我國供熱系統(tǒng)的單位面積能耗量非常大[4～6]。

在物聯(lián)網(wǎng)思想逐漸普及的過程中無線通信技術(shù)得到了快速的發(fā)展，無線抄表技術(shù)逐漸應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)的抄表技術(shù)，其不需要布線，具有較高的資源利用率和工程建設(shè)成本。本文研究一種通過通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及ZigBee技術(shù)相互融合的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線自動抄表系統(tǒng)，對于供氣部門的技術(shù)變革以及社會智能化的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括控制平臺、協(xié)調(diào)器、集中器以及采集器?？梢愿鶕?jù)需求進(jìn)行定時(shí)采集和即時(shí)采集，可以在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)有效傳輸。通過對ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠在管理節(jié)點(diǎn)的過程中有效提升數(shù)據(jù)傳輸效率，對于數(shù)據(jù)傳輸成本以及降低節(jié)點(diǎn)管理成本有非常積極的作用。

抄表系統(tǒng)的工作流程為：在集中器自動上傳命令以及控制中心發(fā)送上傳命令以后就將兩種抄表方式長傳，實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能，集中器能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)主動上傳數(shù)據(jù)，在收到特殊的需求時(shí)控制中心會向集中器下達(dá)命令，然后再將命令下達(dá)到采集中，這對于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)能量消耗的降低有非常好的效果，同時(shí)還能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在采集到用戶的電量以后，采集器將電量信號向脈沖信號轉(zhuǎn)換，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)儲存[7，8]。利用射頻(radio frequency,RF)模塊將數(shù)據(jù)向ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送，數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee向集中器傳輸。在整合處理所采集的數(shù)據(jù)后，集中器就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)向控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)。在控制中心可以實(shí)時(shí)管理和查詢電量的使用情況，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫中存儲這些數(shù)據(jù)。

無線抄表系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，廣域網(wǎng)絡(luò)及底層局域網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的兩種主要類型，作為局域網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，采集器能夠?qū)﹄娔鼙碇械臄?shù)據(jù)進(jìn)行采集，并利用路由節(jié)點(diǎn)向集中器傳輸數(shù)據(jù)。在接收到采集器采集到的數(shù)據(jù)以后集中器就通過GPRS與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，并向遠(yuǎn)程控制中心傳遞數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)中利用協(xié)調(diào)器可以向控制平臺的計(jì)算機(jī)傳輸RS-232串口接收到的數(shù)據(jù)。在分析和處理數(shù)據(jù)以后控制平臺就可以在數(shù)據(jù)庫中存儲這些數(shù)據(jù)，便于查詢用戶數(shù)據(jù)。

圖1 無線抄表系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)

2 物聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

無線抄表系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括時(shí)鐘電路、GPRS模塊、RF天線、復(fù)位、RS—232、數(shù)據(jù)采集部分以及控制芯片部分。

圖2無線抄表系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本文將TI 公司2.4 GHz射頻芯片 CC2530作為農(nóng)場智能監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主控芯片。

1)主控器最小系統(tǒng)

圖3所示為CC2530最小系統(tǒng)硬件電路。在保證主控器正常運(yùn)行的電路中最小系統(tǒng)電路是最基本的電路。

圖3 CC2530最小系統(tǒng)電路

2)無線射頻電路

地埋管地源熱泵系統(tǒng)的初投資最高，主要在于地埋管換熱器初投資較高，地埋管的費(fèi)用主要包括鉆孔和管材的費(fèi)用，本工程需鉆6個孔深度為100m的地埋管換熱孔，南昌地區(qū)地埋管換器的投資約為100元/米孔深，而地下水源熱泵系統(tǒng)由于增加了殼管式換熱器以及中間循環(huán)泵，使得初投資有所增加。相比這2種方案，空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)備費(fèi)用包括安裝費(fèi)用，且無須考慮室外管網(wǎng)敷設(shè)、打井以及室外循環(huán)泵等費(fèi)用，初投資較低，各方案的初投資見表5所示。

在設(shè)計(jì)無線射頻電路的過程中雙端口和單端口之間的轉(zhuǎn)換主要通過巴倫電路來實(shí)現(xiàn)，以保證天線和饋線匹配最優(yōu)[9，10]。如圖4所示為無線射頻匹配電路，如果需要利用CC2530模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)首先通過差分射頻端口 RF_P,RF_N向巴倫電路發(fā)送，并向單端信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后由天線發(fā)射。如果數(shù)據(jù)需要CC2530接收，在接收到信號以后，首先在巴倫電路中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后向RF_P，RF_N 端口發(fā)送，完成整個接收過程。

圖4 無線射頻匹配電路

3)供電電路

220V交流電源為供電電路的主要電力來源，利用穩(wěn)壓芯片LM7812、橋堆及變壓器能夠?qū)⒔涣麟娫崔D(zhuǎn)換為直流電源，其中可以轉(zhuǎn)換為供給傳感器采集電路以及控制器工作的兩種電流[11]。經(jīng)過LM1117—3.3芯片還可以將轉(zhuǎn)換得到的直流電源進(jìn)行再轉(zhuǎn)換，給外圍電路提供工作電源。

4)通信裝置硬件電路

本文將LPC2368芯片作為通信裝置硬件的主控芯片，實(shí)現(xiàn)與CC2530的數(shù)據(jù)傳輸。將華為 GTM900C 無線模塊作為通信裝置的GPRS模塊。如圖5所示為通信裝置的硬件結(jié)構(gòu)。

圖5 通信裝置硬件結(jié)構(gòu)

5)抄表數(shù)據(jù)通信電路

圖6 抄表數(shù)據(jù)通信電路

3 智能抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集器程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中采集節(jié)點(diǎn)無法發(fā)揮路由的功能，另外只能夠?qū)崿F(xiàn)與路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信。由于對于路由中繼節(jié)點(diǎn)和相鄰節(jié)點(diǎn)不是必須的。因此采集節(jié)點(diǎn)和連通整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上能夠完成離線工作[12]。在完成系統(tǒng)初始化以后，數(shù)據(jù)采集命令通過集中器下達(dá)到采集節(jié)點(diǎn)。通的情況下采集節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行離線工作[13]。在初始化系統(tǒng)以后，集中器會向采集節(jié)點(diǎn)下達(dá)數(shù)據(jù)采集命令，完成入網(wǎng)以后采集節(jié)點(diǎn)即進(jìn)入到循環(huán)過程中，完成采集數(shù)據(jù)的工作，采集節(jié)點(diǎn)的地址在系統(tǒng)中定義為0X00，定義延遲實(shí)現(xiàn)為10 s，每間隔10 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后向集中器發(fā)送所采集到的數(shù)據(jù)。

3.2 集中器程序

集中器能夠集中網(wǎng)線抄表網(wǎng)絡(luò)所獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，并采用有效的途徑將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)之外的GPRS網(wǎng)絡(luò)。因此集中器在整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中主要發(fā)揮網(wǎng)關(guān)的作用?？刂浦行南掳l(fā)的命令幀首先傳輸?shù)郊衅髦?，然后利用相關(guān)的轉(zhuǎn)換協(xié)議可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee模塊。然后對于接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS模塊箱控制中心發(fā)送，并記錄讀取時(shí)間。將按鍵模塊集中在集中器中，通過按鍵修改集中器中的一些特定參數(shù)，如IP網(wǎng)關(guān)以及相關(guān)的遠(yuǎn)端服務(wù)器等。初始程序開始運(yùn)行以后循環(huán)執(zhí)行主程序，并不間斷地判斷系統(tǒng)配置。當(dāng)需要時(shí)可以對管理部門和用戶所需要的參數(shù)進(jìn)行配置，并在存儲器中存儲這些參數(shù)。由于在與主控制通信的過程中GPRS模塊和ZigBee模塊均使用串口通信。因此串口中斷程序主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)兩個方面。當(dāng)終端在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中起源時(shí)，判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，讀取時(shí)鐘芯片，并將時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲到靜態(tài)存儲器中，發(fā)送和傳輸數(shù)據(jù)到中心數(shù)據(jù)庫。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)需要綁定GPR模塊、采集器節(jié)點(diǎn)以及集中器，并將綁定過程中產(chǎn)生的指令向相關(guān)設(shè)備發(fā)送，在接收完成綁定命令后，采集器和GPRS向集中器發(fā)送綁定指令碼，完成綁定過程后將底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備添加到無線抄表系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中[14]。

4 系統(tǒng)測試

確定軟件程序和硬件電路不存在錯誤，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，必須在保證數(shù)據(jù)可以正常運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)無線抄表系統(tǒng)通信的正常運(yùn)行。

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的硬件、軟件以及無線通信模塊能夠有效適用于現(xiàn)場要求，實(shí)現(xiàn)無線抄表的功能。在無線傳輸數(shù)據(jù)的過程中無法避免的受到各種主客觀因素的干擾，因此不是所有區(qū)域都具有較高的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。通過軟件能夠?qū)Πl(fā)送路徑進(jìn)行調(diào)整以及延時(shí)發(fā)送，可以對暫時(shí)性干擾問題進(jìn)行處理。測試硬件，集中器節(jié)點(diǎn)界面如圖7所示。經(jīng)過測試以后，發(fā)現(xiàn)本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的燃?xì)獗碇悄艹硐到y(tǒng)能夠?qū)θ細(xì)獗磉M(jìn)行遠(yuǎn)程智能抄表，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡易，數(shù)據(jù)收發(fā)可靠。

圖7 測試硬件與集中器節(jié)點(diǎn)界面

5 結(jié) 論

本文研究了一種通過GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及ZigBee技術(shù)相互融合的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線自動抄表系統(tǒng)，對于供氣部門的技術(shù)變革以及社會智能化的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響。