0 引 言
熱計量表可以用來測量暖氣等供熱設(shè)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(yīng)采用一體式結(jié)構(gòu),，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(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(shù)的低成本、低功耗,、復(fù)雜度低,、延時短等優(yōu)點，正是組建無線網(wǎng)絡(luò)的良好途徑,。本文研究的遠程熱計量表就是基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線自動抄表功能的,。
1 ZigBee技術(shù)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(luò)技術(shù),。
ZigBee的基礎(chǔ)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(luò)層和API進行了標準化，同時聯(lián)盟還負責其安全協(xié)議,、應(yīng)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,。
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)盟負責，IEEE則制定物理層和鏈路層標準,。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標準同樣省電,。另外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)的維護成本。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)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(shè)置和控制。協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)方式進行通訊,。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,。
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(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),；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為時間(單位：h),。
將上式化為和式，為：
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(yīng)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(luò)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(shè)計
ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：星狀、串(樹)狀和網(wǎng)狀,。每個網(wǎng)絡(luò)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(wù)器，具有對本網(wǎng)絡(luò)的管理能力,。網(wǎng)絡(luò)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 Fuction Device)只能作為終端節(jié)點使用,。
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)，每塊熱計量表都設(shè)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),，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(luò),，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(luò)覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點收到廣播后，做出應(yīng)答,，并定義自己的級別為1,。協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的應(yīng)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(yīng)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(luò)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(zhuǎn)發(fā)，以此類推,。網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3所示,。
每隔若干個小時，網(wǎng)絡(luò)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(luò)正常，否則，未收到確認信號的節(jié)點將重新加入網(wǎng)絡(luò),。
3.2 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(luò)中的某個節(jié)點,。
在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)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(fù)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),。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(yīng)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,。
4 結(jié)語
ZigBee技術(shù)是一門新興的無線通訊技術(shù),。隨著無線通信技術(shù)飛快發(fā)展，無線技術(shù)在智能住宅小區(qū)中應(yīng)用是一個優(yōu)勢,，也是趨勢,。因此設(shè)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(chǔ)上,，提出將其應(yīng)用于遠程無線熱計量抄表系統(tǒng)中。