節(jié)能減排是我國(guó)長(zhǎng)遠(yuǎn)的政策方針，而對(duì)于供熱行業(yè)來(lái)說(shuō)，節(jié)能的潛力又是巨大的。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)城市室內(nèi)采暖系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上基本上都采用單管水平串聯(lián)的系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，然而該方案不便于住戶進(jìn)行熱量調(diào)節(jié)，并且現(xiàn)今絕大部分的暖氣費(fèi)用是按面積進(jìn)行集中收取，存在很大的不合理性，這兩個(gè)主要因素造成了極大的供熱用熱浪費(fèi)。隨著人們生活水平的不斷提高和供暖行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)供暖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量和獨(dú)立控制的呼聲越來(lái)越高，本文針對(duì)分戶計(jì)量中的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)提供一個(gè)可靠的設(shè)計(jì)方案。
ZigBee數(shù)傳技術(shù)是一種短距離、低功耗、低復(fù)雜度、短時(shí)延、低速率的大容量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是目前短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一。ZigBee數(shù)傳模塊組網(wǎng)方式豐富靈活，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇。
1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案
該設(shè)計(jì)以CC2530 無(wú)線單片機(jī)為核心， 整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)由主站( 監(jiān)控中心)和子站( 測(cè)溫終端)組成( 如圖1所示) 。在正常環(huán)境下，將溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)處理后通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊發(fā)送給主站節(jié)點(diǎn)，完成主站節(jié)點(diǎn)與子站節(jié)點(diǎn)的通信過(guò)程。結(jié)合串口通信技術(shù)，通過(guò)RS-232 串口線連接主站上位機(jī)( PC) ，上位機(jī)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，根據(jù)住戶在冬季實(shí)際獲得的溫度值，結(jié)合一系列算法以及當(dāng)?shù)刂贫ǖ氖召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，就可以簡(jiǎn)單地計(jì)算出住戶在冬季的真實(shí)采暖費(fèi)用，真正做到收費(fèi)公平合理。
圖1 收發(fā)系統(tǒng)
2 硬件設(shè)計(jì)
子站( 測(cè)溫終端)由ZigBee數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通信和處理器等模塊構(gòu)成，其任務(wù)是采集待測(cè)點(diǎn)的溫度，并將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至主站中。主站是由微處理器和無(wú)線通信模塊組成，主要負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)的溫度信息，并通過(guò)RS232 串口將其傳送至服務(wù)器上進(jìn)行顯示和處理。另外，根據(jù)實(shí)際需要，也可在終端節(jié)點(diǎn)上安裝顯示模塊或報(bào)警模塊，以方便網(wǎng)絡(luò)安裝測(cè)試。
2.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊又稱溫度采集節(jié)點(diǎn)，溫度傳感器選用美國(guó)Dallas 公司生產(chǎn)的DS18B20，它可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，無(wú)需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，處理器可以直接讀取溫度數(shù)據(jù)。該溫度傳感器測(cè)量范圍為-55℃~+125℃，溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)可以選擇9~12 bit ，對(duì)應(yīng)的溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃( 溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系如表1 所示)，電壓范圍為3.0 V~5.5 V，可用數(shù)據(jù)線供電。DS18B20 具有微型化、精度高、低功耗、響應(yīng)時(shí)間短和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于本設(shè)計(jì)的溫度采集模塊。值得注意的是，與CC2530 的I/O 端口連接時(shí)，需要上拉一個(gè)4.7 k贅的電阻，原理圖如圖2 所示。
表1 DS18B20 溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系
圖2 溫度采集節(jié)點(diǎn)原理圖
2.2 ZigBee無(wú)線模塊
ZigBee無(wú)線模塊是基于CC2530 芯片實(shí)現(xiàn)的( 如圖2 所示) 。其主要特點(diǎn)是體積小、高性能、低功耗、具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。CC2530 是一個(gè)兼容IEEE 802.15.4 的片上系統(tǒng)， 支持專有的802.15.4協(xié)議，此外還集成了符合ZigBee技術(shù)2.4 GHz 頻段RF無(wú)線電收發(fā)模塊。CC2530 工作電壓范圍內(nèi)2.0 V~3.6 V，工作溫度為-40 ℃~+125 ℃， 休眠時(shí)功耗電流可降低至0.6 uA。本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)ZigBee數(shù)傳模塊將多個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)組建成星形網(wǎng)絡(luò)( 如圖3 所示) ，將各個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，并由協(xié)調(diào)器通過(guò)串口匯聚到主站上位機(jī)中，從而實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。
圖3 星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、通信控制和監(jiān)控中心3 個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集程序運(yùn)行在子站的微處理器上，其主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)；通信控制程序運(yùn)行在主站的微處理器上，該程序需要實(shí)時(shí)地處理從子站節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，并且還要控制它們按照上位機(jī)的操作指令進(jìn)行工作，它是整個(gè)系統(tǒng)程序的核心；監(jiān)控程序運(yùn)行在上位機(jī)中，它會(huì)監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，對(duì)子站發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理。
3.1 溫度采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
圖4 DS18B20工作流程圖
DS18B20 工作流程圖如圖4 所示， 其主程序( 僅測(cè)溫)如下。
void main ( )
{
……；
init ( ) ；
while ( 1 )
{temp_tran ( ) ；
value1=get_tmp_value ( ) ；
temp1=abs ( temp_value1 ) ；
}……；
}
另外，向DS18B20 內(nèi)寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)編輯如下( 嚴(yán)格按照時(shí)序圖進(jìn)行編程) 。
void write_byte ( unsigned char dat )
{……；
for ( j=0 ；j<8 ；j++)
{
b=dat & 0x01 ；
dat>>=1 ；
if ( b )
{
ds=0 ；
i++； i++；
ds=1 ；i=8 ；
while ( i>0 )
i--；
}
else
{
ds=0 ； i=8 ；
while ( i>0 )
i--；
ds=1 ；
i++； i++；
}
}
值得注意的是，在溫度轉(zhuǎn)換函數(shù)中，需要添加“跳過(guò)序列號(hào)”命令，即：
void temp_tran ( )
{
……；
write_byte ( 0xcc ) ；
……；
}
本設(shè)計(jì)于每日5:00 、13:00 和21:00 3 個(gè)時(shí)段進(jìn)行溫度采樣，采用DS12CR887 時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)。參考該芯片的技術(shù)手冊(cè)，依據(jù)DS12CR887 時(shí)鐘芯片的時(shí)序圖，可寫(xiě)出對(duì)應(yīng)總線( 選用intel 總線)讀數(shù)據(jù)與寫(xiě)數(shù)據(jù)的函數(shù)，如下所示。
void write_ds ( uchar add ，uchar dataa )//intel 總線寫(xiě)數(shù)據(jù)
{
ds_cs=0 ；ds_as=1 ；
ds_ds=1 ；ds_rw=1 ；
P0=add ；
ds_as=0 ；
ds_rw=0 ；P0=dataa ；
ds_rw=1 ；
ds_as=1 ； ds_cs=1 ；
}
uchar read_ds ( uchar add )
{
uchar ds_dataa ；
ds_cs=0 ；ds_as=1 ；
ds_ds=1 ；ds_rw=1 ；
P0=add ；ds_as=0 ；
ds_ds=0 ；
P0=0xff ；
ds_dataa=P0 ；ds_ds=1 ；
ds_as=1 ；ds_cs=1 ；
return ds_dataa ；
}
另外，該時(shí)鐘芯片時(shí)、分、秒的讀取函數(shù)分別為shi=read_ds( 4 ) 、fen=read_ds ( 2 )和miao=read_ds ( 0 ) 。
溫度節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，通電后加入由協(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收終端節(jié)點(diǎn)加入。溫度采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間構(gòu)成簡(jiǎn)單的星形網(wǎng)絡(luò)( 如圖3 所示) ，溫度采集模塊的工作流程如圖5 所示。
圖5 溫度采集模塊工作流程圖
3.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)
協(xié)調(diào)器的主要功能有：收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)， 并將其通過(guò)串口傳至上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；將上位機(jī)的監(jiān)控需求傳到協(xié)調(diào)器中，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到終端節(jié)點(diǎn)上，圖6 僅展示上述第一種功能的流程圖。
圖6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器工作流程圖
接收系統(tǒng)接收到ZigBee數(shù)據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)后，再通過(guò)RS-232 串行通信接口與上位機(jī)相連，將接收的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在上位機(jī)中并顯示在上位機(jī)界面上，方便后期處理。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程如圖7 所示。
圖7 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程圖
4 系統(tǒng)測(cè)試
由于家用水暖系統(tǒng)有進(jìn)出水管，為了測(cè)量溫度差，將兩個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)后分別貼附在進(jìn)水管和出水管上，把每次測(cè)得的兩組數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)端， 我國(guó)供暖時(shí)間( 不計(jì)特殊情況)為11 月15 日至次年3 月15 日，供暖時(shí)間為120 天，進(jìn)水管和出水管的數(shù)據(jù)均為360 個(gè)，結(jié)合供暖熱量算法以及當(dāng)?shù)毓┡召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，將這些數(shù)據(jù)在上位機(jī)中做最優(yōu)計(jì)算，再根據(jù)每家每戶的最終數(shù)據(jù)進(jìn)行精確收費(fèi)。
本設(shè)計(jì)采用串口調(diào)試助手V3.7.1 進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，端口參數(shù)如下：比特率為9600 b/s ，數(shù)據(jù)位為8 bit 、停止位為1 bit ，校驗(yàn)位為NONE。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)能否正常工作，搭建了如圖8 所示簡(jiǎn)易場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。
圖8 測(cè)試場(chǎng)景示意圖
從串口調(diào)試助手窗口中，可以看到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，如圖9 所示。
圖9 測(cè)試結(jié)果
通過(guò)分析了ZigBee網(wǎng)絡(luò)相關(guān)特性， 以CC2530 為核心、DS18B20 為溫度節(jié)點(diǎn)， 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無(wú)線模塊的溫度采集與傳輸，闡明了硬件框架設(shè)計(jì)以及ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)組建流程，完成了對(duì)多個(gè)不同位置的溫度ZigBee數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)具有通信可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成本低的特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后期完善與調(diào)試之后，便可投放給用戶進(jìn)行使用。