基于無線傳感技術(shù)的樓宇供暖監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要： 研究一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的樓宇供暖監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時隨地對樓宇內(nèi)供暖狀況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全雙工模式監(jiān)控，實(shí)時采集采暖用戶樓宇的溫度，結(jié)合住戶內(nèi)部人員情況自動調(diào)節(jié)閥門，控制屋內(nèi)溫度，實(shí)時對住戶供暖信息進(jìn)行采集、抄表以及實(shí)現(xiàn)漏水檢測等功能。主要對ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)的處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊以及電源模塊等硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，同時對無線傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的處理器和模塊程序進(jìn)行設(shè)計，以及對供暖監(jiān)控中心的組態(tài)界面進(jìn)行設(shè)計。實(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； ZigBee； 樓宇供暖監(jiān)控； MSP430

中圖分類號： TN915?34； TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0061?04

Abstract： The building heating monitoring system based on ZigBee wireless sensor technology is studied in this paper， which can monitor the heating conditions in the premises whenever and wherever， achieve full duplex mode monitoring， perform real?time acquisition of building heating temperature， regulate valves automatically according to resident status， control indoor temperature， execute house heating information acquisition and meter reading in real time， and detect water leakage. The processor module， data acquisition module， communication module and power supply module of the ZigBee wireless sensor node are designed. The module program and processor of wireless sensor network node are designed. And also the heating monitoring center configuration interface is designed.

Keywords： wireless sensor network； ZigBee； building heating monitoring； MSP430

0 引 言

我國大部分地區(qū)在冬季主要采用24 h不間斷的集中供暖方式，計費(fèi)方式基本按照用戶樓房的建筑面積計算。大部分地區(qū)采用的常規(guī)供暖方式?jīng)]有考慮用戶樓房內(nèi)的實(shí)際溫度狀況，以及樓房內(nèi)是否有人居住等，另一方面，采暖用戶不能隨時隨地地遠(yuǎn)程監(jiān)控自己住房內(nèi)供暖情況。采暖用戶只能被動接受供熱，不能根據(jù)自身樓房的居住情況進(jìn)行調(diào)節(jié)溫度和開關(guān)供暖閥門，采暖用戶實(shí)際需求熱量和繳納的取暖費(fèi)不對等，造成了大量的能源浪費(fèi)。隨著社會的不斷發(fā)展，人們越來越關(guān)注能源浪費(fèi)現(xiàn)象，同時人們的經(jīng)濟(jì)意識不斷增強(qiáng)，住房面積不斷增大，實(shí)施分戶供熱計費(fèi)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控樓宇供暖狀況基本能夠解決現(xiàn)存問題，同時也是發(fā)展的潮流和趨勢[1?3]。

目前，部分地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對供暖的分戶監(jiān)控，其主要采用兩種監(jiān)控方式：一種是就地控制，即樓宇內(nèi)采暖用戶在住戶內(nèi)部使用操作面板的方式對供暖設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和控制；另一種方式是通過采集裝置對供暖設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采集監(jiān)測，并通過總線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦┡O(jiān)控中心。這兩種監(jiān)控方式可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，但是卻無法實(shí)現(xiàn)隨時隨地全雙工模式的監(jiān)控[4?5]。因此本文研究一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的樓宇供暖監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時隨地對樓宇內(nèi)供暖狀況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全雙工模式監(jiān)控，實(shí)時采集采暖用戶樓宇的溫度，結(jié)合住戶內(nèi)部人員情況自動調(diào)節(jié)閥門，控制屋內(nèi)溫度，實(shí)時對住戶供暖信息進(jìn)行采集、抄表、以及實(shí)現(xiàn)漏水檢測等功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于無線傳感技術(shù)的樓宇供暖監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由樓宇內(nèi)智能供暖監(jiān)控系統(tǒng)、通信媒介、Web信息中心以及移動終端等組成。數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳蠈泳W(wǎng)絡(luò)主要是指Web信息中心，Web信息中心接收到通過Internet傳輸回來的由下層網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無線節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的供暖數(shù)據(jù)信息，加以分析處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)實(shí)際情況下發(fā)控制指令等。

基于Android/IPhone/Windows Phoned 的移動終端能夠使用3G網(wǎng)絡(luò)連接到Web信息中心的公共數(shù)據(jù)庫，讀取用戶的下層網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)南聦泳W(wǎng)絡(luò)主要是指樓宇內(nèi)的基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，ZigBee采用樹形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個ZigBee節(jié)點(diǎn)的溫控器能夠?qū)崟r采集采暖住戶的室內(nèi)溫度、進(jìn)水溫度、回水溫度、管道流量，同時能夠?qū)苈烽y門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。各個ZigBee節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳到Web信息中心[6?7]。

在此主要針對數(shù)據(jù)傳輸下層網(wǎng)絡(luò)的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研究，其主要是進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的采集和控制，是整個供暖監(jiān)控系統(tǒng)最主要、最重要的環(huán)境。

2 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)

ZigBee無線傳感的節(jié)點(diǎn)屬于微型的嵌入式系統(tǒng)，使用模塊化設(shè)計思想，主要由處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊以及電源模塊等組成，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)如圖2所示[8]。

本文研究的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理選取TI公司的MSP430系列處理器，MSP430功耗低、性能穩(wěn)定，特別適用于對功耗有限制的場合，MSP430處理器使用四線制JTAG接口下載調(diào)試程序，MSP430處理器的JTAG接口電路如圖3所示[9]。

數(shù)據(jù)采集模塊主要是對室內(nèi)溫度、進(jìn)回水的溫度和流量進(jìn)行監(jiān)測，在此以溫度傳感器采集模塊為例說明采集模塊的電路設(shè)計。溫度傳感器選用功耗低、性能穩(wěn)定的SHT11溫度傳感器，SHT11溫度傳感器與MSP430處理器連接電路如圖4所示[10]。

4 結(jié) 論

本文研究一種基于ZigBee無線傳感技術(shù)的樓宇供暖監(jiān)控系統(tǒng)，可以隨時隨地對樓宇內(nèi)供暖狀況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全雙工模式監(jiān)控，實(shí)時采集采暖用戶樓宇的溫度，結(jié)合住戶內(nèi)部人員情況自動調(diào)節(jié)閥門，控制屋內(nèi)溫度，實(shí)時對住戶供暖信息進(jìn)行采集、抄表、以及實(shí)現(xiàn)漏水檢測等功能。對MSP430處理器與SHT11溫度傳感器、CC2420無線射頻模塊以及電源模塊等硬件電路進(jìn)行設(shè)計，并使用模塊化設(shè)計思想對網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議棧、網(wǎng)格、路由算法以及傳感器采集程度等進(jìn)行設(shè)計。

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