基于ZigBee技術(shù)的熱計量遠程抄表系統研究

儀器安裝在用戶(hù)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(guò)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(guò)熱量積分儀自動(dòng)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為在熱交換系統的入口與出口溫度下，水的比焓值差(單位：J／kg)；t為時(shí)間(單位：h)。
將上式化為和式，為：

式中：qui為第i時(shí)刻流經(jīng)熱量表的體積；hti，ht2分別為供水、回水的溫度下對應的比焓值。
2．2 協(xié)調器
協(xié)調器一方面采用ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )方式同路由節點(diǎn)連接，另一方面采用GPRS與上位機電腦連接，從而實(shí)現遠程監控。因此在ZigBee芯片CC2430外擴展GPRS模塊。

3 系統組網(wǎng)與軟件設計
ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有三種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：星狀、串(樹(shù))狀和網(wǎng)狀。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )中都有惟一的一個(gè)協(xié)調器，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 )中只有全功能節點(diǎn)(Full Function Device)才可以作為協(xié)調器、路由器以及終端節點(diǎn)使用，而半功能節點(diǎn)(Reduce Function Device)只能作為終端節點(diǎn)使用。
考慮到系統應用環(huán)境的復雜性，本文采取網(wǎng)狀自組織結構，每塊熱計量表都設置為全功能節點(diǎn)。默認的ZigBee協(xié)議棧支持5級路由深度，每個(gè)路由器可以連接20個(gè)節點(diǎn)(最多包括6個(gè)路由器節點(diǎn)，14個(gè)終端節點(diǎn))，用戶(hù)可以根據網(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點(diǎn)數。
3．1 ZigBee無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)的建立
各節點(diǎn)進(jìn)行自組織，建立網(wǎng)絡(luò )，由于自組織前，各節點(diǎn)路由表都是空白的，自組織過(guò)程只能用廣播方式聯(lián)系其他節點(diǎn)。協(xié)調器發(fā)送廣播(默認協(xié)調器節點(diǎn)級別為0)，處于其網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍內的節點(diǎn)收到廣播后，做出應答，并定義自己的級別為1。協(xié)調器根據收到的應答信號更新路由表。級別為1的節點(diǎn)收到協(xié)調器的應答信號后，各自廣播，節點(diǎn)收到信號，定義自己為2級節點(diǎn)。依次類(lèi)推，網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)節點(diǎn)會(huì )得到一張路由表。在自組織過(guò)程中，某些節點(diǎn)可能收到來(lái)自不同級別的其他節點(diǎn)發(fā)送的廣播，根據上述規則，節點(diǎn)會(huì )定義自己為幾個(gè)不同的級別，程序取其中最低級別(最靠近協(xié)調器)的級別。
當有新節點(diǎn)加入時(shí)，節點(diǎn)發(fā)送廣播，收到廣播的節點(diǎn)發(fā)送返回信息，新節點(diǎn)根據返回信息自動(dòng)選擇兩個(gè)路由層低，鏈路信號好的節點(diǎn)作為自己的父節點(diǎn)，同時(shí)，自身的路由層在父節點(diǎn)路由層上加1。當新節點(diǎn)加入網(wǎng)路后，向協(xié)調器發(fā)送綁定請求，下一跳為自身父節點(diǎn)，目的地址為協(xié)調器。父節點(diǎn)收到綁定信號好后，向上一級
父節點(diǎn)轉發(fā)，以此類(lèi)推。網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖3所示。

每隔若干個(gè)小時(shí)，網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)對路由節點(diǎn)進(jìn)行維護，每個(gè)節點(diǎn)均向協(xié)調器發(fā)送一條路由維護信息，協(xié)調器收到節點(diǎn)信息，將返回確認信息。如每個(gè)節點(diǎn)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點(diǎn)將重新加入網(wǎng)絡(luò )。
3．2數據的轉發(fā)
在該無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)中，能直接將數據發(fā)送到協(xié)調器的節點(diǎn)只有1級節點(diǎn)，1級以下節點(diǎn)要發(fā)送數據到協(xié)調器，必須通過(guò)數據的多點(diǎn)跳轉，反之，協(xié)調器可以通過(guò)單挑或多條方式發(fā)送命令字或數據到網(wǎng)絡(luò )中的某個(gè)節點(diǎn)。