基于ZigBee技術(shù)的樓宇溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曹 偉 劉雨佳

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

引言

在我國(guó)北方地區(qū)，傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)多是以燃煤作為熱源，通過(guò)添加熱水給室內(nèi)供暖，這種供暖系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期使用的供暖方式，但這種供暖方式也暴露出一些弊端，如：燃燒后的煙氣引起煤塵而造成環(huán)境空氣污染，燃燒不完全釋放出有害氣體，燃燒鍋爐占地面積大、噪聲大、維護(hù)費(fèi)用較高，造成能源的大量浪費(fèi)等問(wèn)題。也有一些地區(qū)采用燃油、燃?xì)庾鳛闊嵩?，同樣也造成空氣污染、噪聲污染等?wèn)題。這些問(wèn)題都督促供暖設(shè)計(jì)人員改進(jìn)技術(shù)，探求研究新型的系統(tǒng)供暖方法。

本文采用地?zé)犭娎|敷設(shè)于地面中，電纜通電后發(fā)熱升溫，然后均勻加熱室內(nèi)空氣，同時(shí)，地?zé)犭娎|能把熱能最大限度的輻射出去，熱效率高，并且節(jié)省了傳統(tǒng)供暖的暖氣片所占房屋的有效面積。地?zé)犭娎|輻射供暖方式使室內(nèi)溫度地面溫度分布均勻，更適合人體的供暖需求，使人感到更舒適。這種方法“按需供暖，按表計(jì)量，誰(shuí)交費(fèi)誰(shuí)受益”，解決了采暖費(fèi)用收費(fèi)難的問(wèn)題，并且可以做到有人時(shí)啟動(dòng)，無(wú)人時(shí)可調(diào)低溫度，最終達(dá)到節(jié)能的目的。

在現(xiàn)有的樓宇供暖系統(tǒng)中，如果用戶要進(jìn)行改造，必然要對(duì)墻體或者地面進(jìn)行大規(guī)模的改動(dòng)，這樣既浪費(fèi)人力和物力，又需要花費(fèi)很大的成本，投入很多精力。利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在每個(gè)溫控器上加一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，這樣可以在不破壞墻體的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇溫控設(shè)備的管理。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一個(gè)由可以多到65536個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，類似移動(dòng)通訊的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸建立的，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通訊建立的。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)象（如傳感器）連接，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料；除此之外，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，同多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)（如精簡(jiǎn)功能設(shè)備）無(wú)線連接；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里。

ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動(dòng)控制設(shè)備、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）、醫(yī)療（如監(jiān)視和傳感）、家庭智能控制（如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警）、消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置和PC外設(shè)的無(wú)線連接等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量、高安全及免執(zhí)照頻段等優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee協(xié)議使用IEEE802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE802.15.4共定義了3個(gè)工作頻帶：2.4GHz，915MHz和868MHz。每個(gè)頻帶提供固定數(shù)量的信道。如，2.4GHz頻帶共提供16個(gè)信道（信道11-26），915MHz頻帶提供10個(gè)信道（信道1-10），而868MHz頻帶提供1個(gè)信道（信道0）。

ZigBee協(xié)議的比特率由所選擇的工作頻率決定。2.4GHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為250kbps，915MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為40kbps，而868MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為20kbps。由于數(shù)據(jù)包開銷和處理延遲，實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)小于規(guī)定的比特率。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由上位管理機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元、智能溫控模塊、報(bào)警節(jié)點(diǎn)和室外溫度節(jié)點(diǎn)組成。上位管理機(jī)完成各個(gè)房間的工作方式（溫控或定時(shí)）、房間溫度、加熱起始終止時(shí)間等參數(shù)的設(shè)定，對(duì)各功能節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存，并完成對(duì)功能節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的巡檢?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的收集、緩存和轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的通信處理和控制，通信出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警。每個(gè)溫控模塊控制一個(gè)受控房間，溫控模塊的數(shù)量可根據(jù)建筑物的規(guī)模增加或減少。室外溫度節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集室外溫度，與室內(nèi)溫度進(jìn)行比較，以便系統(tǒng)設(shè)置合適的參數(shù)。針對(duì)房間的位置、朝向、房間的使用時(shí)間不同，使不同功能區(qū)（如辦公室、工具間、車庫(kù)等）處于不同溫度，不同時(shí)間段（上班、下班、節(jié)假日等）采用正常運(yùn)行或低溫運(yùn)行方式。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

樓宇溫控系統(tǒng)下設(shè)N個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元，管轄?zhēng)资畟€(gè)到上百個(gè)溫控模塊，每個(gè)溫控模塊都含有一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。溫控模塊的運(yùn)行數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元，由于溫控模塊分布在較大的區(qū)域中又呈現(xiàn)一種簇狀分布，因此整個(gè)系統(tǒng)采用主從節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)模式。

在采集各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，我們使用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本思想是：主節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求后依次對(duì)每個(gè)和自己關(guān)聯(lián)的從節(jié)點(diǎn)發(fā)出喚醒信號(hào)，從節(jié)點(diǎn)被喚醒后將監(jiān)控到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)搜集到所有從節(jié)點(diǎn)的信息后，統(tǒng)一發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元。這樣在節(jié)省功耗的同時(shí)，既可以避免消息碰撞，又增大了網(wǎng)絡(luò)容量。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

全功能設(shè)備（FFD）支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），能和任何設(shè)備通信；精簡(jiǎn)功能設(shè)備（(RFD）通常只用于星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不能完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，且只能與FFD通信。RFD內(nèi)部電路較FFD簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，也更利于節(jié)能。因此根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，每個(gè)簇采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中主節(jié)點(diǎn)采用的物理設(shè)備為FFD，從節(jié)點(diǎn)則使用RFD。

本設(shè)計(jì)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)采用電池供電，節(jié)點(diǎn)體積受安裝環(huán)境制約，要盡可能小，而且有效工作時(shí)間也要盡可能長(zhǎng)，無(wú)線通信需要電池提供足夠大的電流，耗電量比較大，所以節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須為低功耗設(shè)計(jì)。ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。CPU采用低功耗的16位微處理器MSP430FG4618，無(wú)線收發(fā)芯片采用符合Zig－Bee標(biāo)準(zhǔn)的CC2420。

圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位管理機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元的通信、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元與各智能節(jié)點(diǎn)的通信和數(shù)據(jù)采集處理模塊。

位于樓宇控制室的上位管理機(jī)是樓宇溫控系統(tǒng)的主處理服務(wù)器，也是系統(tǒng)處理核心。上位管理機(jī)從分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元和各智能節(jié)點(diǎn)接收實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理、分析和報(bào)警。同時(shí)，上位管理機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，向相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元發(fā)送控制指令，該現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元經(jīng)過(guò)指令分析和ID確認(rèn)后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)向相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。

上位管理機(jī)提供整個(gè)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的視圖，在該視圖上，無(wú)監(jiān)測(cè)區(qū)域是簡(jiǎn)化顯示，監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)顯示對(duì)象，另外，還可以看到監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元。正常情況下，監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榫G色顯示。如果監(jiān)測(cè)到故障（現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元故障或監(jiān)測(cè)值超過(guò)閾值），現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元將用紅色閃爍顯示并伴隨聲光報(bào)警。當(dāng)監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)分析產(chǎn)生預(yù)警時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元將用黃色閃爍顯示。用戶可以通過(guò)上位管理機(jī)啟動(dòng)或關(guān)閉某個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元對(duì)某個(gè)監(jiān)控對(duì)象（ZigBee節(jié)點(diǎn)）的監(jiān)測(cè)。

為了防止干擾源侵入系統(tǒng)破壞數(shù)字信號(hào)的時(shí)序，更改單片機(jī)寄存器內(nèi)容，導(dǎo)致程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，或者陷入死循環(huán)。因此，在程序設(shè)計(jì)中采取指令冗余設(shè)計(jì)、軟件陷阱設(shè)計(jì)和程序監(jiān)視定時(shí)器設(shè)計(jì)的措施，通過(guò)軟件技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，智能建筑的數(shù)量將會(huì)越來(lái)越多，選擇適合中國(guó)國(guó)情的樓宇自動(dòng)化產(chǎn)品是人們迫切需要關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。本文給出了基于ZigBee技術(shù)的樓宇溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性能，沒(méi)有對(duì)環(huán)境造成污染且成本較低。隨著ZigBee技術(shù)的不斷發(fā)展，其低成本、低功耗和較大的覆蓋范圍等特點(diǎn)成為樓宇溫控系統(tǒng)新的亮點(diǎn)，這也將給我國(guó)開發(fā)自主的具有世界先進(jìn)水平的樓宇溫控產(chǎn)品提供一個(gè)嶄新的契機(jī)。

[1]莊猛.加熱電纜的種類及應(yīng)用[J].電線電纜,2000,5：1-2.

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[3]IEEE802.15.http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.

[4]Texas Instruments.http://www.ti.com/.