基于ZigBee技術(shù)的熱計量遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)研究

摘要：目前，在集中采暖的住宅小區(qū)中，正在推行按熱量計量的收費(fèi)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(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計方案，敘述了ZigBee協(xié)議以及系統(tǒng)的硬件和軟件流程。系統(tǒng)利用ZigBee芯片CC2430、溫度傳感器、流量傳感器、熱量積分儀設(shè)計出具備無線傳輸功能的熱計量表，并采用無線自組網(wǎng)與GPRS相結(jié)合的方式，對集中供暖熱水流量和溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表。使用結(jié)果證明，該系統(tǒng)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(yīng)用前景。創(chuàng)新之處在于緊密結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用實際，采用ZigBee技術(shù)組織無線自組網(wǎng)，對熱量計量進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無線自組網(wǎng)；熱計量表

0 引言
熱計量表可以用來測量暖氣等供熱設(shè)備的熱能。根據(jù)最新國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，《城市行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》和《計量檢定規(guī)程―熱能表》，熱計量表應(yīng)采用一體式結(jié)構(gòu)，包括流量計、供水和回水溫度檢測、供水閥門控制器等。該表主要用于城市集中供熱上，便于實行一戶一表，分戶計量，按熱收費(fèi)。
與傳統(tǒng)的熱計量表相比，無線遠(yuǎn)程熱計量表具有安裝布置靈活、成本低廉、自動控制、不需工作人員上門抄表等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、復(fù)雜度低、延時短等優(yōu)點(diǎn)，正是組建無線網(wǎng)絡(luò)的良好途徑。本文研究的遠(yuǎn)程熱計量表就是基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線自動抄表功能的。

1 ZigBee技術(shù)簡介
ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率的近距離的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802．15．4，這是IEEE無線個人區(qū)域工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)。但I(xiàn)EEE 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(biāo)準(zhǔn)化，同時聯(lián)盟還負(fù)責(zé)其安全協(xié)議、應(yīng)用文檔和市場推廣等。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(dǎo)體等公司共同組成。
ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)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(fù)責(zé)，IEEE則制定物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用匯聚層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性和多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)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(chǔ)上，還同底層的IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)同樣省電。另外，還能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，從而最大程度地方便消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計
無線遠(yuǎn)程熱計量自動抄表系統(tǒng)由PC上位機(jī)、協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器通過GPRS與電腦上位機(jī)連接，可以通過PC軟件顯示和查看信息，同時也可以通過PC軟件對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制。協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行通訊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)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(tǒng)芯片(SoC)。它在單芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。其內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051 MCU，8 KB RAM，128 KB FLASH，包含8路ADC、3個定時器、AESl28加密電路、MAc協(xié)處理器、看門狗定時器、21個可編程I／O引腳，并支持4種休眠模式。