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基于ZigBee技术的热计量远程抄表系统研究

2011/4/18 11:49:56  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  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ZigBee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,主要包括安全屑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 KBFLASH,包含8路ADC、3个定时器、AES128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为在热交换系统的人口与出口温度下,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:qvi为第i时刻流经热量表的体积;ht1,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 Fuction 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。

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