基于ZigBee技術的熱計量遠程抄表系統研究

摘要：目前，在集中采暖的住宅小區中，正在推行按熱量計量的收費方式改革。在此背景下，創造性地提出一種基于ZigBee技術的熱計量遠程抄表系統設計方案，敘述了ZigBee協議以及系統的硬件和軟件流程。系統利用ZigBee芯片CC2430、溫度傳感器、流量傳感器、熱量積分儀設計出具備無線傳輸功能的熱計量表，并采用無線自組網與GPRS相結合的方式，對集中供暖熱水流量和溫度進行遠程抄表。使用結果證明，該系統具備操作方便、成本低廉、功耗低等諸多優點，因而具有廣闊的應用前景。創新之處在于緊密結合當前應用實際，采用ZigBee技術組織無線自組網，對熱量計量進行遠程傳輸。
關鍵詞：ZigBee；CC2430；無線自組網；熱計量表

0 引言
熱計量表可以用來測量暖氣等供熱設備的熱能。根據最新國際、國內標準，《城市行業標準》和《計量檢定規程―熱能表》，熱計量表應采用一體式結構，包括流量計、供水和回水溫度檢測、供水閥門控制器等。該表主要用于城市集中供熱上，便于實行一戶一表，分戶計量，按熱收費。
與傳統的熱計量表相比，無線遠程熱計量表具有安裝布置靈活、成本低廉、自動控制、不需工作人員上門抄表等優點。ZigBee技術的低成本、低功耗、復雜度低、延時短等優點，正是組建無線網絡的良好途徑。本文研究的遠程熱計量表就是基于ZigBee技術實現無線自動抄表功能的。

1 ZigBee技術簡介
ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率的近距離的無線網絡技術。
ZigBee的基礎是IEEE 802．15．4，這是IEEE無線個人區域工作組的一項標準。但IEEE 802．15．4僅處理低級MAC層和物理層協議，所以ZigBee聯盟對其網絡層和API進行了標準化，同時聯盟還負責其安全協議、應用文檔和市場推廣等。ZigBee聯盟成立于2001年8月，由英國Invensys、日本三菱電氣、美國摩托羅拉、荷蘭飛利浦半導體等公司共同組成。
ZigBee協議棧由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，網絡層以上協議由Zig-Bee聯盟負責，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。應用匯聚層把不同的應用映射到ZigBee網絡上，主要包括安全屬性和多個業務數據流的匯聚等功能。網絡層將采用基于Ad Hoc技術的路由協議，它在包含通用的網絡層功能的基礎上，還同底層的IEEE 802．15．4標準同樣省電。另外，還能實現網絡的自組織和自維護，從而最大程度地方便消費者使用，降低網絡的維護成本。

2 系統結構與硬件設計
無線遠程熱計量自動抄表系統由PC上位機、協調器、路由節點組成。協調器通過GPRS與電腦上位機連接，可以通過PC軟件顯示和查看信息，同時也可以通過PC軟件對系統進行設置和控制。協調器與路由節點采用ZigBee無線網絡方式進行通訊。系統結構如圖1所示。

系統的核心是ZigBee芯片CC2430，它是TI公司推出的支持ZigBee協議的系統芯片(SoC)。它在單芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。其內嵌增強型8051 MCU，8 KB RAM，128 KB FLASH，包含8路ADC、3個定時器、AESl28加密電路、MAc協處理器、看門狗定時器、21個可編程I／O引腳，并支持4種休眠模式。