摘 要: 针对集中供热系统数据采集的特点，应用ZigBee无线通信数据传输网络技术，设计和实现了一种数据采集系统。介绍了系统的组成结构以及无线传感器网络节点、数据传输网络(ZigBee)与数据中心(MCC)等模块的设计，分析了系统实现的传输协议和应用特点。实际运行情况表明系统具有传输速率高、省电可靠、时延短、费用低、网络容量大、节点通信设置易于配置等优点

　　关键词: ZigBee;集中供热;数据采集

　　1 引 言

　　集中供热系统由热源、热力站、热用户三部分组成，其中热力站(换热站)是供热网路与热用户的连接场所。它的作用是根据热网工况和不同的条件，采用不同的连接方式，将热网输送的热媒加以调节、转换，向热用户系统分配热量以满足用户的需求;同时还根据需要，进行集中计量、检测供热热媒的参数和数量。因此对换热站运行状况进行监测是掌握供热流量分配情况、小区用热总量和调节用户所用热量的手段，也是进行热能资源优化、调度和自动化管理的依据。换热站监测不仅要以安全可靠和功能完善为基础,还要力求做到无人值守和远程控制。但这些换热站分布范围广，位置分散，并且离热源和监控中心比较远。因此，选择合适的通信手段是决定系统性价比的关键因素。

　　以前的数据传输手段和通信手段传输速率慢、传输不稳定、运行成本高不能满足集中供热系统监控信息的实时传输要求。而采用有线专网需要铺设大量通信光缆，建设成本和维护成本极高。如采用数传电台、卫星通信、SMS等无线通信手段，分别因地形限制、运行成本、实时性等因素而不能很好地满足要求。

　　随着新一代移动通信技术的发展，ZigBee全新无线网络数据通信技术的出现为集中供热系统数据采集提供了新的通信手段。与传统PSTN、GSM、CSD、短消息等通信手段相比，该方式传输速率高、省电可靠、时延短、费用低、网络容量大、节点通信设置易于配置等优点，本论文设计实现了一种基于ZigBee的集中供热数据采集系统，并且进行推广应用，具有较大的工程意义。

　　2 ZigBee技术

　　ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。

　　ZigBee技术的主要特点有：(1) 数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。(2) 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。(3) 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。(4) 网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。(5) 时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。(6) 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。(7) 每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里。

　　集中供热换热站终端需要对现场数据进行实时采集并且要快速、高效的传送给监控中心，如果传输延迟监控中心就不能高效利用采集到的数据对换热站进行监控，所以要求传输网络必须快速。ZigBee技术刚好适合这种传输要求，能为集中供热系统数据采集提供一种高性价比的无线通信手段。

　　3 系统设计

　　系统利用ZigBee技术实现换热站水温、水压、水流量等参数数据与监控中心的实时通信的功能。通信过程大致如下：ZigBee终端与换热站无线传感器设备组成现场数据采集系统;数据中心根据数据采集任务，通过ZigBee网络向ZigBee终端与换热站无线传感器发送采集命令;ZigBee终端通过RS485总线将命令转发给目标仪表，仪表响应并返回结果数据给ZigBee终端;再由ZigBee终端将数据拆成分组，通过ZigBee网络传输到数据中心，完成换热站数据的远程采集。同时，数据中心可通过ZigBee网络向现场运行的ZigBee终端和控制器等现场设备发送远程配置命令，控制现场设备的运行状态。整个系统由无线传感器网络节点、数据传输网络(ZigBee)、数据监控中心(MCC)等三部分组成，数据采集总体结构如图1所示。

　　图1 集中供热系统数据采集总体结构图

　　3.1 无线传感器网络节点

　　作为传感器网络的基本单元,无线传感器节点负责传感和信息预处理,响应监控主机和指令发送数据,一般由数据采集模块(传感器、转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)和供电模块(电池、能量转换器)等组成。

　　数据采集模块由传感器、转换器进行监测区域内待测对象的信息采集和控制;数据处理和控制模块实现数据的分析、处理和存储等功能;通信模块负责低功耗短距离节点与控制器间的通信;供电模块则选取小型化、高容量的电池，以确保节点的长寿命和微型化。具体节点设计原理框图如图2 所示。

　　图2 无线传感器网络节点原理框图

　　数据处理和控制模块选择的是飞思卡尔公司出品的MC13192芯片和MC908GT60芯片。MC13192芯片是一款符合IEEE802.15.4标准的带数据调制解调器的射频收发芯片，MC9S08GT60是8位微控制器芯片，工作电压为1.8V，接收状态耗电37mA,发射状态耗电30mA，将其和MC13192配合使用可以大幅度地延长电池寿命，提高工作性能。MC9S08GT60用来控制MC13192，它片上有60kB的Flash和4kB的RAM，足够存放ZigBee的协议栈,并运行简单的应用程序，2块芯片的性能很好,而功耗很低适合于电池供电。传感器采集数据有温度、压力等。

　　由传感器输出的模拟信号经过MCU的8通道10位ADC变换后输入到MCU,MCU通过SPI口和MC13192连接将从传感器采集的信号经过扩频O2QPSK调制到载波后通过发射器从天线发射出去。对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来,经过解调、解扩得到原始的数据,再通过SPI传送到MCU上,经过MCU的判断处理后,通过GPIO口传送到传感器上,以完成对传感器的控制。同时MCU完成对MC13192收发控制和所需要的MAC层操作。

　　无线通信模块中，选用了Chipcon公司的CC2420射频收发器，它实现ZigBee协议的物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)层，低耗电、250kbps传输速率、快速唤醒时间(<30ms)、CSMA-CA通道状态侦测等特性。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入输出匹配电路以及微控制器接口电路，MCU通过SPI以及几个GPIO对C2420进行设置与读写数据。射频信号输出设计采用PCB上的引线作为天线。

　　ZigBee网络节点采用两节5号电池，经过升压DC/DC芯片CP1402转换到3.3V和5V，电池使用效率可达85%。同时采用模拟开关来控制各个传感器的供电，在不需要采集数据时关断电源以进一步降低功耗。

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