基于ZigBee技術的熱計量遠程抄表系統(tǒng)研究

儀器安裝在用戶的供水管上，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熱量積分儀自動計算流量和熱量。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(tǒng)的入口與出口溫度下，水的比焓值差(單位：J／kg)；t為時間(單位：h)。
將上式化為和式，為：

式中：qui為第i時刻流經(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(diào)器
協(xié)調(diào)器一方面采用ZigBee無線網(wǎng)絡方式同路由節(jié)點連接，另一方面采用GPRS與上位機電腦連接，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。因此在ZigBee芯片CC2430外擴展GPRS模塊。

3 系統(tǒng)組網(wǎng)與軟件設計
ZigBee無線網(wǎng)絡有三種網(wǎng)絡拓撲結構：星狀、串(樹)狀和網(wǎng)狀。每個網(wǎng)絡中都有惟一的一個協(xié)調(diào)器，它相當于有限局域網(wǎng)中的服務器，具有對本網(wǎng)絡的管理能力。網(wǎng)絡中只有全功能節(jié)點(Full Function Device)才可以作為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點使用，而半功能節(jié)點(Reduce Function Device)只能作為終端節(jié)點使用。
考慮到系統(tǒng)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(jié)點。默認的ZigBee協(xié)議棧支持5級路由深度，每個路由器可以連接20個節(jié)點(最多包括6個路由器節(jié)點，14個終端節(jié)點)，用戶可以根據(jù)網(wǎng)絡的大小修改協(xié)議棧，從而提高路由深度和連接的節(jié)點數(shù)。
3．1 ZigBee無線自組網(wǎng)的建立
各節(jié)點進行自組織，建立網(wǎng)絡，由于自組織前，各節(jié)點路由表都是空白的，自組織過程只能用廣播方式聯(lián)系其他節(jié)點。協(xié)調(diào)器發(fā)送廣播(默認協(xié)調(diào)器節(jié)點級別為0)，處于其網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點收到廣播后，做出應答，并定義自己的級別為1。協(xié)調(diào)器根據(jù)收到的應答信號更新路由表。級別為1的節(jié)點收到協(xié)調(diào)器的應答信號后，各自廣播，節(jié)點收到信號，定義自己為2級節(jié)點。依次類推，網(wǎng)絡中每個節(jié)點會得到一張路由表。在自組織過程中，某些節(jié)點可能收到來自不同級別的其他節(jié)點發(fā)送的廣播，根據(jù)上述規(guī)則，節(jié)點會定義自己為幾個不同的級別，程序取其中最低級別(最靠近協(xié)調(diào)器)的級別。
當有新節(jié)點加入時，節(jié)點發(fā)送廣播，收到廣播的節(jié)點發(fā)送返回信息，新節(jié)點根據(jù)返回信息自動選擇兩個路由層低，鏈路信號好的節(jié)點作為自己的父節(jié)點，同時，自身的路由層在父節(jié)點路由層上加1。當新節(jié)點加入網(wǎng)路后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求，下一跳為自身父節(jié)點，目的地址為協(xié)調(diào)器。父節(jié)點收到綁定信號好后，向上一級
父節(jié)點轉發(fā)，以此類推。網(wǎng)絡拓撲圖如圖3所示。

每隔若干個小時，網(wǎng)絡自動對路由節(jié)點進行維護，每個節(jié)點均向協(xié)調(diào)器發(fā)送一條路由維護信息，協(xié)調(diào)器收到節(jié)點信息，將返回確認信息。如每個節(jié)點都收到返回信息，則證明網(wǎng)絡正常，否則，未收到確認信號的節(jié)點將重新加入網(wǎng)絡。
3．2數(shù)據(jù)的轉發(fā)
在該無線自組網(wǎng)中，能直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器的節(jié)點只有1級節(jié)點，1級以下節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，必須通過數(shù)據(jù)的多點跳轉，反之，協(xié)調(diào)器可以通過單挑或多條方式發(fā)送命令字或數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡中的某個節(jié)點。