基于ZigBee技术的热计量远程抄表系统研究

摘要：目前，在集中采暖的住宅小区中，正在推行按热量计量的收费方式改革。在此背景下，创造性地提出一种基于ZigBee技术的热计量远程抄表系统设计方案，叙述了ZigBee协议以及系统的硬件和软件流程。系统利用ZigBee芯片CC2430、温度传感器、流量传感器、热量积分仪设计出具备无线传输功能的热计量表，并采用无线自组网与GPRS相结合的方式，对集中供暖热水流量和温度进行远程抄表。使用结果证明，该系统具备操作方便、成本低廉、功耗低等诸多优点，因而具有广阔的应用前景。创新之处在于紧密结合当前应用实际，采用ZigBee技术组织无线自组网，对热量计量进行远程传输。
关键词：ZigBee；CC2430；无线自组网；热计量表

0 引言
    热计量表可以用来测量暖气等供热设备的热能。根据最新国际、国内标准，《城市行业标准》和《计量检定规程—热能表》，热计量表应采用一体式结构，包括流量计、供水和回水温度检测、供水阀门控制器等。该表主要用于城市集中供热上，便于实行一户一表，分户计量，按热收费。
    与传统的热计量表相比，无线远程热计量表具有安装布置灵活、成本低廉、自动控制、不需工作人员上门抄表等优点。ZigBee技术的低成本、低功耗、复杂度低、延时短等优点，正是组建无线网络的良好途径。本文研究的远程热计量表就是基于ZigBee技术实现无线自动抄表功能的。

1 ZigBee技术简介
    ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低速率的近距离的无线网络技术。
    ZigBee的基础是IEEE 802．15．4，这是IEEE无线个人区域工作组的一项标准。但IEEE 802．15．4仅处理低级MAC层和物理层协议，所以ZigBee联盟对其网络层和API进行了标准化，同时联盟还负责其安全协议、应用文档和市场推广等。ZigBee联盟成立于2001年8月，由英国Invensys、日本三菱电气、美国摩托罗拉、荷兰飞利浦半导体等公司共同组成。
    ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上协议由Zig-Bee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全属性和多个业务数据流的汇聚等功能。网络层将采用基于Ad Hoc技术的路由协议，它在包含通用的网络层功能的基础上，还同底层的IEEE 802．15．4标准同样省电。另外，还能实现网络的自组织和自维护，从而最大程度地方便消费者使用，降低网络的维护成本。

2 系统结构与硬件设计
    无线远程热计量自动抄表系统由PC上位机、协调器、路由节点组成。协调器通过GPRS与电脑上位机连接，可以通过PC软件显示和查看信息，同时也可以通过PC软件对系统进行设置和控制。协调器与路由节点采用ZigBee无线网络方式进行通讯。系统结构如图1所示。

    系统的核心是ZigBee芯片CC2430，它是TI公司推出的支持ZigBee协议的系统芯片(SoC)。它在单芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。其内嵌增强型8051 MCU，8 KB RAM，128 KB FLASH，包含8路ADC、3个定时器、AESl28加密电路、MAc协处理器、看门狗定时器、21个可编程I／O引脚，并支持4种休眠模式。
2．1 带路由功能的热计量表
    带路由功能的热计量表由ZigBee芯片cc2430、流量传感器、温度传感器、热量积分仪、LcD显示、键盘电
源电路等组成。热量表的硬件结构框图如图2所示。

    仪器安装在用户的供水管上，并将温度传感器分别装在供水与回水管路上。通过对热水流量和供水、回水温度的采样，按照流量和热量公式通过热量积分仪自动计算流量和热量。其基本原理公式为：

式中：Q为吸收或释放的热量(单位：J或W·h)；qm为流经热量表的水的质量流量(单位：kg／h)；q为流经热量表的体积流量(单位：m3／h)；ρ为流经热量表的水的密度(单位：kg／m3)；△h为在热交换系统的入口与出口温度下，水的比焓值差(单位：J／kg)；t为时间(单位：h)。
    将上式化为和式，为：

式中：qui为第i时刻流经热量表的体积；hti，ht2分别为供水、回水的温度下对应的比焓值。
2．2 协调器
    协调器一方面采用ZigBee无线网络方式同路由节点连接，另一方面采用GPRS与上位机电脑连接，从而实现远程监控。因此在ZigBee芯片CC2430外扩展GPRS模块。

3 系统组网与软件设计
    ZigBee无线网络有三种网络拓扑结构：星状、串(树)状和网状。每个网络中都有惟一的一个协调器，它相当于有限局域网中的服务器，具有对本网络的管理能力。网络中只有全功能节点(Full Function Device)才可以作为协调器、路由器以及终端节点使用，而半功能节点(Reduce Function Device)只能作为终端节点使用。
    考虑到系统应用环境的复杂性，本文采取网状自组织结构，每块热计量表都设置为全功能节点。默认的ZigBee协议栈支持5级路由深度，每个路由器可以连接20个节点(最多包括6个路由器节点，14个终端节点)，用户可以根据网络的大小修改协议栈，从而提高路由深度和连接的节点数。
3．1 ZigBee无线自组网的建立
    各节点进行自组织，建立网络，由于自组织前，各节点路由表都是空白的，自组织过程只能用广播方式联系其他节点。协调器发送广播(默认协调器节点级别为0)，处于其网络覆盖范围内的节点收到广播后，做出应答，并定义自己的级别为1。协调器根据收到的应答信号更新路由表。级别为1的节点收到协调器的应答信号后，各自广播，节点收到信号，定义自己为2级节点。依次类推，网络中每个节点会得到一张路由表。在自组织过程中，某些节点可能收到来自不同级别的其他节点发送的广播，根据上述规则，节点会定义自己为几个不同的级别，程序取其中最低级别(最靠近协调器)的级别。
    当有新节点加入时，节点发送广播，收到广播的节点发送返回信息，新节点根据返回信息自动选择两个路由层低，链路信号好的节点作为自己的父节点，同时，自身的路由层在父节点路由层上加1。当新节点加入网路后，向协调器发送绑定请求，下一跳为自身父节点，目的地址为协调器。父节点收到绑定信号好后，向上一级
父节点转发，以此类推。网络拓扑图如图3所示。

    每隔若干个小时，网络自动对路由节点进行维护，每个节点均向协调器发送一条路由维护信息，协调器收到节点信息，将返回确认信息。如每个节点都收到返回信息，则证明网络正常，否则，未收到确认信号的节点将重新加入网络。
3．2数据的转发
    在该无线自组网中，能直接将数据发送到协调器的节点只有1级节点，1级以下节点要发送数据到协调器，必须通过数据的多点跳转，反之，协调器可以通过单挑或多条方式发送命令字或数据到网络中的某个节点。
    在数据的转发过程中，会根据每个节点中所记录的父节点地址和子节点地址进行双向的传递，对于热计量表检测所得到的热量数据，只需要封装在数据包内，就可以将数据方便快速地发送到协调器。在发射数据后会在一段时间内回复一个确认信号，当收到一个确认信号后，确认数据已经传送到下一个目标则不再重送，否则会对目标重送数次，多次失败后会确认此目标有问题，然后选择备用路由发送数据。节点软件流程图如图4所示。

3．3 热计量信息的远程传输
    各热计量表所检测的热计量信息，将通过协调器节点与GPRS模块的链接，传送到远程上位机上，从而实现远程抄表。在协调器节点与GPRS的数据交互中，应该遵循约定好的报文格式，以便上位机能够更好地解析报文。协调器的软件流程图如图5所示。

4 结语
    ZigBee技术是一门新兴的无线通讯技术。随着无线通信技术飞快发展，无线技术在智能住宅小区中应用是一个优势，也是趋势。因此设计一种有竞争力的智能住宅小区远程抄表系统显得尤为必要。针对目前北方住宅小区即将全部改换分户热计量的供热方式，本文在充分研究了ZigBee协议的基础上，提出将其应用于远程无线热计量抄表系统中。