基于ZigBee技術(shù)的熱計(jì)量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)研究

0  引  言

熱計(jì)量表可以用來(lái)測(cè)量暖氣等供熱設(shè)備的熱能。根據(jù)最新國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，《城市行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和《計(jì)量檢定規(guī)程——熱能表》，熱計(jì)量表應(yīng)采用一體式結(jié)構(gòu)，包括流量計(jì)、供水和回水溫度檢測(cè)、供水閥門(mén)控制器等。該表主要用于城市集中供熱上，便于實(shí)行一戶一表，分戶計(jì)量，按熱收費(fèi)。

與傳統(tǒng)的熱計(jì)量表相比，無(wú)線遠(yuǎn)程熱計(jì)量表具有安裝布置靈活、成本低廉、自動(dòng)控制、不需工作人員上門(mén)抄表等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、復(fù)雜度低、延時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，正是組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的良好途徑。本文研究的遠(yuǎn)程熱計(jì)量表就是基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線自動(dòng)抄表功能的。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率的近距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802．15．4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。但I(xiàn)EEE 802．15．4僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，所以ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)聯(lián)盟還負(fù)責(zé)其安全協(xié)議、應(yīng)用文檔和市場(chǎng)推廣等。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，由英國(guó)Invensys、日本三菱電氣、美國(guó)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ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)，IEEE則制定物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用匯聚層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屑性和多個(gè)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(biāo)準(zhǔn)同樣省電。另外，還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，從而最大程度地方便消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線遠(yuǎn)程熱計(jì)量自動(dòng)抄表系統(tǒng)由PC上位機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS與電腦上位機(jī)連接，可以通過(guò)PC軟件顯示和查看信息，同時(shí)也可以通過(guò)PC軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制。協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)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(qiáng)型8051 MCU，8 KB RAM，128 KBFLASH，包含8路ADC、3個(gè)定時(shí)器、AES128加密電路、MAC協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、21個(gè)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(jì)量表 

帶路由功能的熱計(jì)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(pán)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(guò)對(duì)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(guò)熱量積分儀自動(dòng)計(jì)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)的人口與出口溫度下，水的比焓值差(單位：J／kg)；t為時(shí)間(單位：h)。

將上式化為和式，為：

式中：qvi為第i時(shí)刻流經(jīng)熱量表的體積；ht1，ht2分別為供水、回水的溫度下對(duì)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式同路由節(jié)點(diǎn)連接，另一方面采用GPRS與上位機(jī)電腦連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此在ZigBee芯片CC2430外擴(kuò)展GPRS模塊。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)與軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀、串(樹(shù))狀和網(wǎng)狀。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中都有惟一的一個(gè)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(duì)本網(wǎng)絡(luò)的管理能力。網(wǎng)絡(luò)中只有全功能節(jié)點(diǎn)(Full Function Device)才可以作為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)使用，而半功能節(jié)點(diǎn)(Reduce Fuction Device)只能作為終端節(jié)點(diǎn)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(jì)量表都設(shè)置為全功能節(jié)點(diǎn)。默認(rèn)的ZigBee協(xié)議棧支持5級(jí)路由深度，每個(gè)路由器可以連接20個(gè)節(jié)點(diǎn)(最多包括6個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，14個(gè)終端節(jié)點(diǎn))，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(diǎn)數(shù)。

3.1 ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)的建立

各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組織，建立網(wǎng)絡(luò)，由于自組織前，各節(jié)點(diǎn)路由表都是空白的，自組織過(guò)程只能用廣播方式聯(lián)系其他節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播(默認(rèn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)級(jí)別為0)，處于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到廣播后，做出應(yīng)答，并定義自己的級(jí)別為1。協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的應(yīng)答信號(hào)更新路由表。級(jí)別為1的節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器的應(yīng)答信號(hào)后，各自廣播，節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)，定義自己為2級(jí)節(jié)點(diǎn)。依次類(lèi)推，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)得到一張路由表。在自組織過(guò)程中，某些節(jié)點(diǎn)可能收到來(lái)自不同級(jí)別的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播，根據(jù)上述規(guī)則，節(jié)點(diǎn)會(huì)定義自己為幾個(gè)不同的級(jí)別，程序取其中最低級(jí)別(最靠近協(xié)調(diào)器)的級(jí)別。

當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，收到廣播的節(jié)點(diǎn)發(fā)送返回信息，新節(jié)點(diǎn)根據(jù)返回信息自動(dòng)選擇兩個(gè)路由層低，鏈路信號(hào)好的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，自身的路由層在父節(jié)點(diǎn)路由層上加1。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)路后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請(qǐng)求，下一跳為自身父節(jié)點(diǎn)，目的地址為協(xié)調(diào)器。父節(jié)點(diǎn)收到綁定信號(hào)好后，向上一級(jí)父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，以此類(lèi)推。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

每隔若干個(gè)小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)對(duì)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均向協(xié)調(diào)器發(fā)送一條路由維護(hù)信息，協(xié)調(diào)器收到節(jié)點(diǎn)信息，將返回確認(rèn)信息。如每個(gè)節(jié)點(diǎn)都收到返回信息，則證明網(wǎng)絡(luò)正常，否則，未收到確認(rèn)信號(hào)的節(jié)點(diǎn)將重新加入網(wǎng)絡(luò)。

3.2 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)

在該無(wú)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(diǎn)只有1級(jí)節(jié)點(diǎn)，1級(jí)以下節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，必須通過(guò)數(shù)據(jù)的多點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，反之，協(xié)調(diào)器可以通過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，會(huì)根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)中所記錄的父節(jié)點(diǎn)地址和子節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行雙向的傳遞，對(duì)于熱計(jì)量表檢測(cè)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(huì)在一段時(shí)間內(nèi)回復(fù)一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，當(dāng)收到一個(gè)確認(rèn)信號(hào)后，確認(rèn)數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送到下一個(gè)目標(biāo)則不再重送，否則會(huì)對(duì)目標(biāo)重送數(shù)次，多次失敗后會(huì)確認(rèn)此目標(biāo)有問(wèn)題，然后選擇備用路由發(fā)送數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

3.3 熱計(jì)量信息的遠(yuǎn)程傳輸

各熱計(jì)量表所檢測(cè)的熱計(jì)量信息，將通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊的鏈接，傳送到遠(yuǎn)程上位機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS的數(shù)據(jù)交互中，應(yīng)該遵循約定好的報(bào)文格式，以便上位機(jī)能夠更好地解析報(bào)文。協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

ZigBee技術(shù)是一門(mén)新興的無(wú)線通訊技術(shù)。隨著無(wú)線通信技術(shù)飛快發(fā)展，無(wú)線技術(shù)在智能住宅小區(qū)中應(yīng)用是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，也是趨勢(shì)。因此設(shè)計(jì)一種有競(jìng)爭(zhēng)力的智能住宅小區(qū)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)顯得尤為必要。針對(duì)目前北方住宅小區(qū)即將全部改換分戶熱計(jì)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(yuǎn)程無(wú)線熱計(jì)量抄表系統(tǒng)中。