基于ZigBee技術的熱計量遠程抄表系統研究

劉? 威，趙亮方，何俊芬

(三峽大學 電氣信息學院? 湖北 宜昌? 443002)
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0? 引? 言

熱計量表可以用來測量暖氣等供熱設備的熱能。根據最新國際、國內標準，《城市行業標準》和《計量檢定規程——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。

與傳統的熱計量表相比，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點。ZigBee技術的低成本、低功耗、復雜度低、延時短等優點，正是組建無線網絡的良好途徑。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絡技術。

ZigBee的基礎是IEEE 802．15．4，這是IEEE無線個人區域工作組的一項標準。但IEEE 802．15．4僅處理低級MAC層和物理層協議，所以ZigBee聯盟對其網絡層和API進行了標準化，同時聯盟還負責其安全協議、應用文檔和市場推廣等。ZigBee聯盟成立于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。

ZigBee協議棧由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，網絡層以上協議由ZigBee聯盟負責，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網絡上，主要包括安全屑性和多個業務數據流的匯聚等功能。網絡層將采用基于Ad Hoc技術的路由協議，它在包含通用的網絡層功能的基礎上，還同底層的IEEE 802．15．4標準同樣省電。另外，還能實現網絡的自組織和自維護，從而最大程度地方便消費者使用，降低網絡的維護成本。

2系統結構與硬件設計

無線遠程熱計量自動抄表系統由PC上位機、協調器、路由節點組成。協調器通過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軟件對系統進行設置和控制。協調器與路由節點采用ZigBee無線網絡方式進行通訊。系統結構如圖1所示。


系統的核心是ZigBee芯片CC2430，它是TI公司推出的支持ZigBee協議的系統芯片(SoC)。它在單芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。其內嵌增強型8051 MCU，8 KB RAM，128 KBFLASH，包含8路ADC、3個定時器、AES128加密電路、MAC協處理器、看門狗定時器、21個可編程I／O引腳，并支持4種休眠模式。

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。


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：


式中：Q為吸收或釋放的熱量(單位：J或W·h)；q_m為流經熱量表的水的質量流量(單位：kg／h)；q為流經熱量表的體積流量(單位：m³／h)；ρ為流經熱量表的水的密度(單位：kg／m³)；△h為在熱交換系統的人口與出口溫度下，水的比焓值差(單位：J／kg)；t為時間(單位：h)。

將上式化為和式，為：



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

2.2?協調器

協調器一方面采用ZigBee無線網絡方式同路由節點連接，另一方面采用GPRS與上位機電腦連接，從而實現遠程監控。因此在ZigBee芯片CC2430外擴展GPRS模塊。

3 系統組網與軟件設計

ZigBee無線網絡有三種網絡拓撲結構：星狀、串(樹)狀和網狀。每個網絡中都有惟一的一個協調器，它相當于有限局域網中的服務器，具有對本網絡的管理能力。網絡中只有全功能節點(Full Function Device)才可以作為協調器、路由器以及終端節點使用，而半功能節點(Reduce Fuction Device)只能作為終端節點使用。

考慮到系統應用環境的復雜性，本文采取網狀自組織結構，每塊熱計量表都設置為全功能節點。默認的ZigBee協議棧支持5級路由深度，每個路由器可以連接20個節點(最多包括6個路由器節點，14個終端節點)，用戶可以根據網絡的大小修改協議棧，從而提高路由深度和連接的節點數。

3.1?ZigBee無線自組網的建立

各節點進行自組織，建立網絡，由于自組織前，各節點路由表都是空白的，自組織過程只能用廣播方式聯系其他節點。協調器發送廣播(默認協調器節點級別為0)，處于其網絡覆蓋范圍內的節點收到廣播后，做出應答，并定義自己的級別為1。協調器根據收到的應答信號更新路由表。級別為1的節點收到協調器的應答信號后，各自廣播，節點收到信號，定義自己為2級節點。依次類推，網絡中每個節點會得到一張路由表。在自組織過程中，某些節點可能收到來自不同級別的其他節點發送的廣播，根據上述規則，節點會定義自己為幾個不同的級別，程序取其中最低級別(最靠近協調器)的級別。

當有新節點加入時，節點發送廣播，收到廣播的節點發送返回信息，新節點根據返回信息自動選擇兩個路由層低，鏈路信號好的節點作為自己的父節點，同時，自身的路由層在父節點路由層上加1。當新節點加入網路后，向協調器發送綁定請求，下一跳為自身父節點，目的地址為協調器。父節點收到綁定信號好后，向上一級父節點轉發，以此類推。網絡拓撲圖如圖3所示。



每隔若干個小時，網絡自動對路由節點進行維護，每個節點均向協調器發送一條路由維護信息，協調器收到節點信息，將返回確認信息。如每個節點都收到返回信息，則證明網絡正常，否則，未收到確認信號的節點將重新加入網絡。

3.2 數據的轉發

在該無線自組網中，能直接將數據發送到協調器的節點只有1級節點，1級以下節點要發送數據到協調器，必須通過數據的多點跳轉，反之，協調器可以通過單挑或多條方式發送命令字或數據到網絡中的某個節點。

在數據的轉發過程中，會根據每個節點中所記錄的父節點地址和子節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據，只需要封裝在數據包內，就可以將數據方便快速地發送到協調器。在發射數據后會在一段時間內回復一個確認信號，當收到一個確認信號后，確認數據已經傳送到下一個目標則不再重送，否則會對目標重送數次，多次失敗后會確認此目標有問題，然后選擇備用路由發送數據。節點軟件流程圖如圖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，將通過協調器節點與GPRS模塊的鏈接，傳送到遠程上位機上，從而實現遠程抄表。在協調器節點與GPRS的數據交互中，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。協調器的軟件流程圖如圖5所示。



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展，無線技術在智能住宅小區中應用是一個優勢，也是趨勢。因此設計一種有競爭力的智能住宅小區遠程抄表系統顯得尤為必要。針對目前北方住宅小區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協議的基礎上，提出將其應用于遠程無線熱計量抄表系統中。