摘 要： 針對目前我國室內采暖計費方案的主要不足，提出了一個新的計費平臺方案,。該系統(tǒng)選用溫度傳感器DS18B20采集信息,，通過以無線單片機CC2530為核心組成的模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，并將信息傳送至上位機進行數(shù)據(jù)處理,，從而實時監(jiān)測管轄區(qū)域內所有住戶的用暖情況,。
關鍵詞： 室內采暖；分戶計量,；ZigBee,；CC2530；DS18B20
節(jié)能減排是我國長遠的政策方針,，而對于供熱行業(yè)來說,，節(jié)能的潛力又是巨大的。長期以來,，我國城市室內采暖系統(tǒng)在設計上基本上都采用單管水平串聯(lián)的系統(tǒng)方案進行設計[1-3],，然而該方案不便于住戶進行熱量調節(jié)，并且現(xiàn)今絕大部分的暖氣費用是按面積進行集中收取,，存在很大的不合理性,，這兩個主要因素造成了極大的供熱用熱浪費,。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，對供暖系統(tǒng)實現(xiàn)分戶計量和獨立控制的呼聲越來越高[4-5],，本文針對分戶計量中的無線測溫系統(tǒng)提供一個可靠的設計方案,。
ZigBee技術是一種短距離、低功耗,、低復雜度,、短時延、低速率的大容量無線網(wǎng)絡技術,，是目前短距離無線傳感器網(wǎng)絡的首選技術之一[6-8],。ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)方式豐富靈活，可根據(jù)實際應用來選擇,。
1 系統(tǒng)架構設計方案
該設計以CC2530無線單片機為核心,，整個收發(fā)系統(tǒng)由主站（監(jiān)控中心）和子站（測溫終端）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ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送給主站節(jié)點,，完成主站節(jié)點與子站節(jié)點的通信過程。結合串口通信技術,，通過RS-232串口線連接主站上位機（PC）,，上位機接收并存儲數(shù)據(jù)后，根據(jù)住戶在冬季實際獲得的溫度值,，結合一系列算法以及當?shù)刂贫ǖ氖召M標準,，就可以簡單地計算出住戶在冬季的真實采暖費用，真正做到收費公平合理[9],。
2 硬件設計
子站（測溫終端）由數(shù)據(jù)采集,、無線通信和處理器等模塊構成，其任務是采集待測點的溫度,，并將溫度數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡發(fā)送至主站中,。主站是由微處理器和無線通信模塊組成，主要負責接收各節(jié)點的溫度信息,，并通過RS232串口[10]將其傳送至服務器上進行顯示和處理,。另外，根據(jù)實際需要,，也可在終端節(jié)點上安裝顯示模塊或報警模塊,，以方便網(wǎng)絡安裝測試。
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,，溫度傳感器選用美國Dallas公司生產的DS18B20,，它可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號進行處理，無需進行模數(shù)轉換,，處理器可以直接讀取溫度數(shù)據(jù),。該溫度傳感器測量范圍為-55℃~+125℃,，溫度轉換位數(shù)可以選擇9~12 bit，對應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[11-13],。DS18B20具有微型化、精度高,、低功耗,、響應時間短和抗干擾能力強等特點，適用于本設計的溫度采集模塊,。值得注意的是,，與CC2530的I/O端口連接時，需要上拉一個4.7 kΩ的電阻,，原理圖如圖2所示,。
2.2 ZigBee無線通信模塊
無線通信模塊是基于CC2530芯片實現(xiàn)的（如圖2所示）。其主要特點是體積小,、高性能,、低功耗、具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性,。CC2530是一個兼容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2.4 GHz頻段RF無線電收發(fā)模塊[14],。CC2530工作電壓范圍內2.0 V~3.6 V，工作溫度為-40 ℃~+125 ℃,，休眠時功耗電流可降低至0.6 μA,。本設計中的網(wǎng)絡通過ZigBee協(xié)議將多個溫度采集節(jié)點組建成星形網(wǎng)絡（如圖3所示），將各個節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)實時發(fā)送至協(xié)調器,，并由協(xié)調器通過串口匯聚到主站上位機中,，從而實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實時采集。
3 軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計包括數(shù)據(jù)采集,、通信控制和監(jiān)控中心3個部分,。其中，數(shù)據(jù)采集程序運行在子站的微處理器上,，其主要任務是負責采集溫度數(shù)據(jù)并實現(xiàn)無線收發(fā),；通信控制程序運行在主站的微處理器上，該程序需要實時地處理從子站節(jié)點傳來的溫度數(shù)據(jù),，并且還要控制它們按照上位機的操作指令進行工作,，它是整個系統(tǒng)程序的核心,；監(jiān)控程序運行在上位機中，它會監(jiān)視節(jié)點的工作狀態(tài),，對子站發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進行有效處理,。
3.1 溫度采集節(jié)點軟件設計
DS18B20工作流程圖如圖4所示，其主程序（僅測溫）如下,。
void main（）
{
……,；
init（）；
while（1）
{
temp_tran（）,；
value1=get_tmp_value（）,；
temp1=abs（temp_value1）；
}
……,；
}
另外,，向DS18B20內寫數(shù)據(jù)函數(shù)編輯如下（嚴格按照時序圖進行編程）。
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，在溫度轉換函數(shù)中,，需要添加“跳過序列號”命令,，即：
void temp_tran（）
{
……；
write_byte（0xcc）,；
……,；
}
本設計于每日5:00、13:00和21:00 3個時段進行溫度采樣,，采用DS12CR887時鐘芯片進行計時,。參考該芯片的技術手冊[15],，依據(jù)DS12CR887時鐘芯片的時序圖，可寫出對應總線（選用intel總線）讀數(shù)據(jù)與寫數(shù)據(jù)的函數(shù),，如下所示,。
void write_ds（uchar add，uchar dataa）//intel總線寫數(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，該時鐘芯片時,、分,、秒的讀取函數(shù)分別為shi=read_ds（4）、fen=read_ds（2）和miao=read_ds（0）,。
溫度采集節(jié)點作為終端節(jié)點,，通電后加入由協(xié)調器建立的ZigBee網(wǎng)絡，其中協(xié)調器負責建立網(wǎng)絡和接收終端節(jié)點加入,。溫度采集節(jié)點和網(wǎng)絡協(xié)調器之間構成簡單的星形網(wǎng)絡（如圖3所示）,，溫度采集模塊的工作流程如圖5所示,。
3.2 協(xié)調器設計
協(xié)調器的主要功能有：收集各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，并將其通過串口傳至上位機中進行數(shù)據(jù)處理,；將上位機的監(jiān)控需求傳到協(xié)調器中,，并通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到終端節(jié)點上[16]，圖6僅展示上述第一種功能的流程圖,。
接收系統(tǒng)接收到溫度數(shù)據(jù)后,，再通過RS-232串行通信接口與上位機相連，將接收的溫度數(shù)據(jù)實時存儲在上位機中并顯示在上位機界面上,，方便后期處理,。上位機數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。
4 系統(tǒng)測試
由于家用水暖系統(tǒng)有進出水管,，為了測量溫度差,，將兩個溫度采集節(jié)點標號后分別貼附在進水管和出水管上，把每次測得的兩組數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機端,，我國供暖時間（不計特殊情況）為11月15日至次年3月15日,，供暖時間為120天，進水管和出水管的數(shù)據(jù)均為360個,，結合供暖熱量算法以及當?shù)毓┡召M標準,，將這些數(shù)據(jù)在上位機中做最優(yōu)計算，再根據(jù)每家每戶的最終數(shù)據(jù)進行精確收費,。
本設計采用串口調試助手V3.7.1進行系統(tǒng)測試,，端口參數(shù)如下：比特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)位為8 bit,、停止位為1 bit,，校驗位為NONE。為了驗證該設計能否正常工作,，搭建了如圖8所示簡易場景進行測試,，從串口調試助手窗口中，可以看到兩個節(jié)點的溫度,，如圖9所示,。
通過分析了ZigBee網(wǎng)絡相關特性，以CC2530為核心,、DS18B20為溫度節(jié)點,，設計實現(xiàn)了基于ZigBee協(xié)議的溫度采集與傳輸，闡明了硬件框架設計以及ZigBee網(wǎng)絡組建流程,，完成了對多個不同位置的溫度數(shù)據(jù)采集的設計要求,。本系統(tǒng)具有通信可靠性高、結構簡單及成本低的特點，通過實驗驗證,，在此基礎上經過系統(tǒng)后期完善與調試之后,，便可投放給用戶進行使用。
參考文獻
[1] 王衛(wèi)東.淺述住宅室內采暖系統(tǒng)節(jié)能設計[J].中國科技財富,，2011（6）：144.
[2] 徐明昌,，李楨，張華.現(xiàn)行室內的采暖方式[J].房材與應用,，2003,，31（4）：25-26.
[3] 辛坦.在中國推選供暖按表計量收費亟待解決的幾個問題[J].區(qū)域供熱，1999,，81（4）：15-21.
[4] 吳思.分戶計熱新政有多遠[J].走向世界,，2011（33）：50-51.
[5] 王穎，劉敬露.智能小區(qū)中冷暖氣計量收費的研究[J].計量與測試技術,，2007,，34（12）：22-23.
[6] 于博，鄧高林,，鄭賓.ZigBee無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子測試,，2012（12）：38-41.
[7] Zhang Qian， Yang Xianglong,， Zhou Yiming,， et al. A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2007,，8（10）：1584-1587.
[8] 范茂軍.物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2012.
[9] 孫恩學.住宅室內采暖系統(tǒng)節(jié)能設計方案[J].科技致富向導，2013（6）：180,，274.
[10] 周建春,，錢敏，李文石,，等.基于單片機和PC串口通信的測溫系統(tǒng)[J].通信技術,，2011，44（5）：157-159.
[11] DS18B20 Data sheet.
[12] 關學忠,，姜南,，王一群，等.基于ZigBee技術的多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用,，2011，30（10）：41-44.
[13] Wang Hao,， Sha Sha. Based on TMS320LF2407 Environment Temperature Humidity Detection[J]. Physics Procedia,，2012（25）：1258-1263.
[14] 王龍山，馬珺.基于物聯(lián)網(wǎng)的家居綜合監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術應用，2013（2）：78-81.
[15] DS12CR887 Data sheet.
[16] 李永龍,，楊明楓,，曹瑩瑩.基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術，2013,，9（15）：3545-3549.