摘 要： 針對目前我國室內(nèi)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(nèi)所有住戶的用暖情況。
關(guān)鍵詞： 室內(nèi)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(nèi)采暖系統(tǒng)在設(shè)計上基本上都采用單管水平串聯(lián)的系統(tǒng)方案進行設(shè)計[1-3],，然而該方案不便于住戶進行熱量調(diào)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(shè)計方案。
ZigBee技術(shù)是一種短距離,、低功耗,、低復(fù)雜度、短時延,、低速率的大容量無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，是目前短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一[6-8]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式豐富靈活,，可根據(jù)實際應(yīng)用來選擇,。
1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案
該設(shè)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(luò)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(jié)合串口通信技術(shù),，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(jié)合一系列算法以及當(dāng)?shù)刂贫ǖ氖召M標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)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(gòu)成,，其任務(wù)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(luò)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(zé)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(wù)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(luò)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(chǎn)的DS18B20，它可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號進行處理,，無需進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，處理器可以直接讀取溫度數(shù)據(jù)。該溫度傳感器測量范圍為-55℃~+125℃,，溫度轉(zhuǎn)換位數(shù)可以選擇9~12 bit,，對應(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[11-13],。DS18B20具有微型化,、精度高、低功耗,、響應(yīng)時間短和抗干擾能力強等特點,，適用于本設(shè)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(shù)2.4 GHz頻段RF無線電收發(fā)模塊[14]。CC2530工作電壓范圍內(nèi)2.0 V~3.6 V,，工作溫度為-40 ℃~+125 ℃,，休眠時功耗電流可降低至0.6 μA。本設(shè)計中的網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee協(xié)議將多個溫度采集節(jié)點組建成星形網(wǎng)絡(luò)（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(diào)器,，并由協(xié)調(diào)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(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)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(wù)是負責(zé)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(shè)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(nèi)寫數(shù)據(jù)函數(shù)編輯如下（嚴(yán)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(zhuǎn)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(shè)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(shù)手冊[15],，依據(jù)DS12CR887時鐘芯片的時序圖,，可寫出對應(yīng)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(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其中協(xié)調(diào)器負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收終端節(jié)點加入,。溫度采集節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間構(gòu)成簡單的星形網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）,，溫度采集模塊的工作流程如圖5所示。
3.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計
協(xié)調(diào)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(diào)器中，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(jié)合供暖熱量算法以及當(dāng)?shù)毓┡召M標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計采用串口調(diào)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(shè)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(diào)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(luò)相關(guān)特性，以CC2530為核心,、DS18B20為溫度節(jié)點,，設(shè)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(shè)計以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(shè)計要求,。本系統(tǒng)具有通信可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單及成本低的特點,，通過實驗驗證,，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過系統(tǒng)后期完善與調(diào)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(nèi)采暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計[J].中國科技財富，2011（6）：144.
[2] 徐明昌,，李楨,，張華.現(xiàn)行室內(nèi)的采暖方式[J].房材與應(yīng)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(shù)，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(shè)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(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,，2012.
[9] 孫恩學(xué).住宅室內(nèi)采暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方案[J].科技致富向?qū)В?013（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(shù),，2011，44（5）：157-159.
[11] DS18B20 Data sheet.
[12] 關(guān)學(xué)忠,，姜南,，王一群，等.基于ZigBee技術(shù)的多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)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(shù)應(yīng)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(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2013,，9（15）：3545-3549.