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。