楊 曉，胡永濤，張智先

(河南工學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

目前供熱服務主要有兩種方式：城市集中供暖和分戶式熱計量供暖[1]。分戶式流量計在抄表方式上采用有線傳輸和人工抄表相結合的方式，該種方式耗費大量人力物力。本文設計了一種基于ZigBee的超聲波熱量表，該熱量表采用超聲波時差法準確測量暖氣管道中的流量值，利用進出水口的溫度傳感器測量溫度差值，通過ZigBee無線傳輸技術實現(xiàn)遠程抄表和數(shù)據(jù)傳輸，計算得到相應的費用[2-3]。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)通過熱量表數(shù)據(jù)采集裝置采集各個分戶暖氣的暖氣流量、熱量值損耗等參數(shù)，在單片機STM32F103內部進行處理后再通過ZigBee無線傳輸方式發(fā)送到每棟樓的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心[4]，數(shù)據(jù)監(jiān)測中心依據(jù)設定的收費標準對各個分戶進行費用計算，系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 超聲波時差法測量原理

對暖氣流量的測量采用的是超聲波時差法[5-6]，其原理是通過兩個超聲波換能器交替作為發(fā)射器和接收器來收發(fā)超聲波信號，通過高精度計時芯片TDC-GP21來檢測超聲波在介質中順流和逆流的時間差，再通過相關表達式計算出流體的流量，測量原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波時差法測量原理圖

圖2中，T2為順流超聲波換能器，T1為逆流超聲波換能器，L為超聲波傳播的長度，D為管道內徑，θ為超聲波傳播方向與待測流體的傳播方向的夾角，v為管道內介質的流速，C為超聲波傳播的速度。

當換能器T2發(fā)射，換能器T1接收時，超聲波順著流體流動方向傳輸，傳輸時間為

(1)

當換能器T1發(fā)射，換能器T2接收時，超聲波逆著流體流動方向傳輸，傳輸時間為

(2)

則順流逆流時間差為

(3)

由于C2遠遠大于v2cos2θ，所以式(3)可以轉換為

(4)

因此管道內介質的流速v為

(5)

超聲波傳播速度C、管道內徑D、超聲波傳播方向與待測流體的傳播方向的夾角θ為已知量，只需要測得超聲波在介質中順流和逆流傳播的時間差就可以計算介質的流速v，根據(jù)式(6)計算介質的流量。

(6)

式中：Q為介質的流量；S為管道截面積。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由超聲波換能器、鉑熱電阻傳感器、高精度計時芯片TDC-GP21和低功耗的微處理器STM32F103組成[7]。系統(tǒng)利用時差法原理測量管道中介質的流量，利用鉑熱電阻傳感器測量管道進出口的溫度差值，在STM32F103內部計算處理得出介質的流量值以及熱能消耗量，再通過ZigBee無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 介質流量測量

超聲波的發(fā)射和接收利用換能器的逆壓電效應和正壓電效應[8-9]。逆壓電效應換能器內部的壓電晶片在交變電場的作用下，產生與之相應的機械振動，實現(xiàn)電能到聲能的轉換，向外發(fā)射超聲波；正壓電效應就是壓電晶片在超聲波聲壓的振動作用下發(fā)生形變，形成與聲壓同步變化的電荷，實現(xiàn)聲能到電能的轉換，接收超聲波。

TDC-GP21是專用超聲波流量測量轉換芯片，其內置脈沖發(fā)生器，可用于驅動超聲波傳感器，其內部還有一個高精度計數(shù)器用于計時，電路圖如圖4所示。

圖4 超聲波驅動與接收電路

TDC-GP21的START和STOP1引腳分別控制著超聲波信號的發(fā)射和接收，當START引腳控制發(fā)射超聲波信號并同時啟動芯片內部的計時器，當STOP1腳收到超聲波信號時，計時停止，以此時間作為超聲波信號順流傳播時間t2；以STOP1引腳控制發(fā)射超聲波并同時啟動計時器，當START引腳接收到超聲波信號時停止計時，以此時間作為超聲波信號逆流傳播時間t1。通過SPI總線傳輸方式將順流和逆流的時間差發(fā)送給STM32F103，結合式(6)計算得到介質的流量。

3.2 管道進出口溫度采集

TDC-GP21除了可用于控制超聲波的發(fā)射和接收外，還可以用于檢測鉑熱電阻Pt1000的溫度[10]。TDC-GP21內置溫度檢測單元，PT1、PT2、PT3、PT4為4個溫度傳感器接口，實際測試時利用這4個接口組成惠斯登電橋，通過檢測電容C15的充放電時間，芯片會自動換算成測得的溫度差值，電路圖如圖5所示。

圖5 進出水口溫度測量電路

其中PT1接的精密電阻R41置于進水管中，PT2接的鉑熱電阻傳感器Pt1000置于進水口；PT4接的精密電阻R42置于出水管中，PT3接的鉑熱電阻傳感器Pt1000置于出水口，引腳LOAD和Sense用于檢測充放電的完成時間，系統(tǒng)會自動根據(jù)充放電時間計算進出水口的溫度值，通過SPI總線傳輸方式發(fā)送到STM32F103中。

3.3 ZigBee傳輸電路

系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸上選用ZigBee無線傳輸芯片CC2430，其內部集成了一個低功耗的8051微控制器[11]，發(fā)射電流低于25 mA，具有32K FLASH，8K SRAM，只需要極小的外圍器件就可以實現(xiàn)組網(wǎng)的要求。ZigBee無線傳輸電路如圖6所示。

圖6 ZigBee傳輸電路

為了得到較強的組網(wǎng)效果，系統(tǒng)選用外置棒狀天線，CC2430在傳輸上選用SPI總線傳輸方式，STM32F103將處理過后的介質流量、熱能損耗等參數(shù)發(fā)送到CC2430中，再由 CC2430把各個分戶的數(shù)據(jù)打包統(tǒng)一發(fā)送到每棟樓的數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。

4 超聲波熱量表軟件設計

基于ZigBee的超聲波熱量表程序包括STM32F103最小系統(tǒng)程序、超聲波發(fā)射和接收驅動程序、管道進出水口溫度差值計算程序以及ZigBee無線傳輸程序。系統(tǒng)啟動后，先執(zhí)行TDC-GP21芯片的初始化，然后發(fā)送控制器信號給TDC-GP21，TDC-GP21根據(jù)接收到的控制信號執(zhí)行超聲波發(fā)射的和接收，并將超聲波順流流動和逆流流動的時間差返回給STM32F103。與此同時，TDC-GP21的4個溫度傳感器接口利用電橋平衡和電容充放電原理檢測管道進出水口的溫度差值，根據(jù)以上采集的參數(shù)計算得到各個分戶的熱量值，通過ZigBee傳輸方式將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)監(jiān)測中心，軟件流程圖如圖7所示。

5 實驗數(shù)據(jù)分析

5.1 ZigBee無線傳輸測試

為了確保系統(tǒng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，對系統(tǒng)做如下測試。將熱量表數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)監(jiān)測中心分開放置，兩者之間的距離分別為200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m，通過軟件編程讓熱量表數(shù)據(jù)采集裝置每隔2 min固定向數(shù)據(jù)監(jiān)測中心發(fā)送200 Byte數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心查看接收到的數(shù)據(jù)的完整性。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 ZigBee無線傳輸性能測試

由表1可知，系統(tǒng)在700 m內傳輸時，丟包率和錯誤率均為0；當傳輸距離達到800 m時，開始出現(xiàn)錯誤率，且錯誤率為3%。由于系統(tǒng)傳輸時是在一棟樓內進行組網(wǎng)傳輸，傳輸距離遠遠小于700 m，因此可見系統(tǒng)傳輸穩(wěn)定、可靠，符合系統(tǒng)要求。

5.2 熱量表精確性測試

測試時采用管徑為DN25的管道，在管道上安裝超聲波換能器，通過恒溫槽將管道內的水溫控制在50 ℃，將鉑熱電阻傳感器Pt1000安裝到管道的回水口處，由于管道內的水溫恒定，因此本實驗只采集管道的出水口溫度。在采集溫度時，每隔5 min采集一次，一次采集3組數(shù)據(jù)，以平均值作為本次的測量結果。在采集流量時，每30 min記錄一次，儀表顯示累計流量值。系統(tǒng)對水溫和流量的測量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 水溫測量數(shù)據(jù)

表3 流量測量數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)對水溫測量相對誤差小于0.1%；由表3數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)對流量測量的相對誤差小于2%，達到設計預期。

6 結束語

設計的高精度超聲波熱量表，采用專用的超聲波流量檢測芯片TDC-GP21來檢測超聲波順流、逆流傳播的時間差和管道進出口處流體的溫度差，以此來計算出熱能損耗值。在數(shù)據(jù)傳輸上，選用ZigBee無線組網(wǎng)傳輸，在數(shù)據(jù)監(jiān)測中心顯示各個分戶的熱量值，以此作為收費的依據(jù)。測試結果表明，系統(tǒng)傳輸可靠，700 m內不丟包；水溫的測量相對誤差小于0.1%；流量的測量相對誤差小于2%。