基于ZigBee與溫度傳感器的室內(nèi)采暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

馬東軍，呂惠民

（西安理工大學(xué) 理學(xué)院，應(yīng)用物理系，陜西 西安，710048）

節(jié)能減排是我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)的政策方針，而對(duì)于供熱行業(yè)來說，節(jié)能的潛力又是巨大的。長(zhǎng)期以來，我國(guó)城市室內(nèi)采暖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上基本上都采用單管水平串聯(lián)的系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-3]，然而該方案不便于住戶進(jìn)行熱量調(diào)節(jié)，并且現(xiàn)今絕大部分的暖氣費(fèi)用是按面積進(jìn)行集中收取，存在很大的不合理性，這兩個(gè)主要因素造成了極大的供熱用熱浪費(fèi)。隨著人們生活水平的不斷提高和供暖行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)供暖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量和獨(dú)立控制的呼聲越來越高[4-5]，本文針對(duì)分戶計(jì)量中的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)提供一個(gè)可靠的設(shè)計(jì)方案。

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低復(fù)雜度、短時(shí)延、低速率的大容量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是目前短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一[6-8]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式豐富靈活，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來選擇。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)以CC2530無(wú)線單片機(jī)為核心，整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)由主站（監(jiān)控中心）和子站（測(cè)溫終端）組成（如圖 1所示）。在正常環(huán)境下，將溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)處理后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主站節(jié)點(diǎn)，完成主站節(jié)點(diǎn)與子站節(jié)點(diǎn)的通信過程。結(jié)合串口通信技術(shù)，通過RS-232串口線連接主站上位機(jī)（PC），上位機(jī)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，根據(jù)住戶在冬季實(shí)際獲得的溫度值，結(jié)合一系列算法以及當(dāng)?shù)刂贫ǖ氖召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，就可以簡(jiǎn)單地計(jì)算出住戶在冬季的真實(shí)采暖費(fèi)用，真正做到收費(fèi)公平合理[9]。

圖1 收發(fā)系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計(jì)

子站（測(cè)溫終端）由數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和處理器等模塊構(gòu)成，其任務(wù)是采集待測(cè)點(diǎn)的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至主站中。主站是由微處理器和無(wú)線通信模塊組成，主要負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)的溫度信息，并通過RS232串口[10]將其傳送至服務(wù)器上進(jìn)行顯示和處理。另外，根據(jù)實(shí)際需要，也可在終端節(jié)點(diǎn)上安裝顯示模塊或報(bào)警模塊，以方便網(wǎng)絡(luò)安裝測(cè)試。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊又稱溫度采集節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器選用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20，它可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，無(wú)需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理器可以直接讀取溫度數(shù)據(jù)。該溫度傳感器測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)可以選擇 9～12 bit，對(duì)應(yīng)的溫度分辨率分別為 0.5℃、0.25℃、0.125℃和 0.062 5℃（溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系如表1所示），電壓范圍為3.0 V～5.5 V，可用數(shù)據(jù)線供電[11-13]。DS18B20具有微型化、精度高、低功耗、響應(yīng)時(shí)間短和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于本設(shè)計(jì)的溫度采集模塊。值得注意的是，與CC2530的I/O端口連接時(shí)，需要上拉一個(gè)4.7 kΩ的電阻，原理圖如圖2所示。

表1 DS18B20溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系

圖2 溫度采集節(jié)點(diǎn)原理圖

2.2 ZigBee無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊是基于CC2530芯片實(shí)現(xiàn)的（如圖2所示）。其主要特點(diǎn)是體積小、高性能、低功耗、具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。CC2530是一個(gè)兼容IEEE 802.15.4的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4協(xié)議，此外還集成了符合ZigBee技術(shù)2.4 GHz頻段RF無(wú)線電收發(fā)模塊[14]。CC2530工作電壓范圍內(nèi)2.0 V～3.6 V，工作溫度為-40℃～+125℃，休眠時(shí)功耗電流可降低至0.6 μA。本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee協(xié)議將多個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)組建成星形網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示），將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，并由協(xié)調(diào)器通過串口匯聚到主站上位機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

圖3 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、通信控制和監(jiān)控中心3個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行在子站的微處理器上，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)；通信控制程序運(yùn)行在主站的微處理器上，該程序需要實(shí)時(shí)地處理從子站節(jié)點(diǎn)傳來的溫度數(shù)據(jù)，并且還要控制它們按照上位機(jī)的操作指令進(jìn)行工作，它是整個(gè)系統(tǒng)程序的核心；監(jiān)控程序運(yùn)行在上位機(jī)中，它會(huì)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，對(duì)子站發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。

3.1 溫度采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

DS18B20工作流程圖如圖4所示，其主程序（僅測(cè)溫）如下。

圖4 DS18B20工作流程圖

另外，向DS18B20內(nèi)寫數(shù)據(jù)函數(shù)編輯如下（嚴(yán)格按照時(shí)序圖進(jìn)行編程）。

值得注意的是，在溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)中，需要添加“跳過序列號(hào)”命令，即：

本設(shè) 計(jì) 于 每 日 5：00、13：00 和 21：00 3 個(gè) 時(shí) 段 進(jìn) 行溫度采樣，采用DS12CR887時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)。參考該芯片的技術(shù)手冊(cè)[15]，依據(jù)DS12CR887時(shí)鐘芯片的時(shí)序圖，可寫出對(duì)應(yīng)總線（選用intel總線）讀數(shù)據(jù)與寫數(shù)據(jù)的函數(shù)，如下所示。

另外，該時(shí)鐘芯片時(shí)、分、秒的讀取函數(shù)分別為shi=read_ds（4）、fen=read_ds（2）和 miao=read_ds（0）。

溫度采集節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，通電后加入由協(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收終端節(jié)點(diǎn)加入。溫度采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間構(gòu)成簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)（如圖 3所示），溫度采集模塊的工作流程如圖5所示。

圖5 溫度采集模塊工作流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的主要功能有：收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，并將其通過串口傳至上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；將上位機(jī)的監(jiān)控需求傳到協(xié)調(diào)器中，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)上[16]，圖6僅展示上述第一種功能的流程圖。

接收系統(tǒng)接收到溫度數(shù)據(jù)后，再通過RS-232串行通信接口與上位機(jī)相連，將接收的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在上位機(jī)中并顯示在上位機(jī)界面上，方便后期處理。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖7 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

由于家用水暖系統(tǒng)有進(jìn)出水管，為了測(cè)量溫度差，將兩個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)后分別貼附在進(jìn)水管和出水管上，把每次測(cè)得的兩組數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)端，我國(guó)供暖時(shí)間（不計(jì)特殊情況）為11月15日至次年3月15日，供暖時(shí)間為120天，進(jìn)水管和出水管的數(shù)據(jù)均為360個(gè)，結(jié)合供暖熱量算法以及當(dāng)?shù)毓┡召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，將這些數(shù)據(jù)在上位機(jī)中做最優(yōu)計(jì)算，再根據(jù)每家每戶的最終數(shù)據(jù)進(jìn)行精確收費(fèi)。

圖8 測(cè)試場(chǎng)景示意圖

本設(shè)計(jì)采用串口調(diào)試助手V3.7.1進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，端口參數(shù)如下：比特率為 9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為 8 bit、停止位為1 bit，校驗(yàn)位為NONE。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)能否正常工作，搭建了如圖8所示簡(jiǎn)易場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試，從串口調(diào)試助手窗口中，可以看到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，如圖9所示。

通過分析了ZigBee網(wǎng)絡(luò)相關(guān)特性，以CC2530為核心、DS18B20為溫度節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee協(xié)議的溫度采集與傳輸，闡明了硬件框架設(shè)計(jì)以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建流程，完成了對(duì)多個(gè)不同位置的溫度數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)具有通信可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成本低的特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過系統(tǒng)后期完善與調(diào)試之后，便可投放給用戶進(jìn)行使用。

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