基于ZigBee技術(shù)的熱計量遠程抄表系統研究

摘要：目前，在集中采暖的住宅小區中，正在推行按熱量計量的收費方式改革。在此背景下，創(chuàng )造性地提出一種基于ZigBee技術(shù)的熱計量遠程抄表系統設計方案，敘述了ZigBee協(xié)議以及系統的硬件和軟件流程。系統利用ZigBee芯片CC2430、溫度傳感器、流量傳感器、熱量積分儀設計出具備無(wú)線(xiàn)傳輸功能的熱計量表，并采用無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)與GPRS相結合的方式，對集中供暖熱水流量和溫度進(jìn)行遠程抄表。使用結果證明，該系統具備操作方便、成本低廉、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的應用前景。創(chuàng )新之處在于緊密結合當前應用實(shí)際，采用ZigBee技術(shù)組織無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)，對熱量計量進(jìn)行遠程傳輸。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)；熱計量表

0 引言
熱計量表可以用來(lái)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(yè)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(mén)控制器等。該表主要用于城市集中供熱上，便于實(shí)行一戶(hù)一表，分戶(hù)計量，按熱收費。
與傳統的熱計量表相比，無(wú)線(xiàn)遠程熱計量表具有安裝布置靈活、成本低廉、自動(dòng)控制、不需工作人員上門(mén)抄表等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、復雜度低、延時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)，正是組建無(wú)線(xiàn)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(shí)現無(wú)線(xiàn)自動(dòng)抄表功能的。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率的近距離的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。
ZigBee的基礎是IEEE 802．15．4，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)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(xié)議，所以ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò )層和API進(jìn)行了標準化，同時(shí)聯(lián)盟還負責其安全協(xié)議、應用文檔和市場(chǎng)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)議棧由高層應用規范、應用匯聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成，網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由Zig-Bee聯(lián)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(wǎng)絡(luò )上，主要包括安全屬性和多個(gè)業(yè)務(wù)數據流的匯聚等功能。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 )層功能的基礎上，還同底層的IEEE 802．15．4標準同樣省電。另外，還能實(shí)現網(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 系統結構與硬件設計
無(wú)線(xiàn)遠程熱計量自動(dòng)抄表系統由PC上位機、協(xié)調器、路由節點(diǎn)組成。協(xié)調器通過(guò)GPRS與電腦上位機連接，可以通過(guò)PC軟件顯示和查看信息，同時(shí)也可以通過(guò)PC軟件對系統進(jìn)行設置和控制。協(xié)調器與路由節點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方式進(jìn)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(xié)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 KB FLASH，包含8路ADC、3個(gè)定時(shí)器、AESl28加密電路、MAc協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、21個(gè)可編程I／O引腳，并支持4種休眠模式。