基于ZigBee技術(shù)的分室控溫供熱系統(tǒng)設(shè)計

楊 陽 付江龍 郝 娟 甄同妙 陳素軍

(河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

基于ZigBee技術(shù)的分室控溫供熱系統(tǒng)設(shè)計

楊 陽 付江龍 郝 娟 甄同妙 陳素軍

(河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

針對并聯(lián)式供熱系統(tǒng)，提出一種基于ZigBee技術(shù)的分室控溫系統(tǒng)設(shè)計方案，可實(shí)現(xiàn)用戶通過控制終端例如手機(jī)、PC機(jī)對各房間進(jìn)行溫度調(diào)節(jié).系統(tǒng)采用CC2530作為無線傳感器節(jié)點(diǎn)通信模塊，C8051F124單片機(jī)作為MCU，進(jìn)行了基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計，二者基于星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò).MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)計算處理后通過I/O接口對用戶分集水器電動閥門進(jìn)行開度控制.該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施成本低等特點(diǎn)，在節(jié)能減排方面具有實(shí)際應(yīng)用價值.

ZigBee技術(shù)；分室控溫；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；CC2530；用戶終端控制

0 引 言

目前的集中供熱系統(tǒng)，普遍使用的是按用戶均衡供熱，這種供熱方式造成了不必要的能源浪費(fèi).為了滿足用戶按需調(diào)控各個房間溫度的需求，本文針對并聯(lián)式供熱系統(tǒng)[1]，研究設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)用戶通過終端進(jìn)行分室控溫的供熱系統(tǒng).該系統(tǒng)可用于多種場合，比如酒店管理人員可通過終端控制對一些閑置的房間降溫以節(jié)省能源；居民用戶可按需對各個房間進(jìn)行溫度控制，例如提高盥洗室溫度降低儲物間溫度等.

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖1 用戶分室控溫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)在每個用戶內(nèi)部搭建基于星型的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2].在用戶的每個裝有暖氣片的房間內(nèi)放置一個ZigBee終端設(shè)備，每個用戶的分集水器處放置一個ZigBee協(xié)調(diào)設(shè)備，該設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、MCU和電動閥門，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器通過無線自組織方式構(gòu)成一個WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))的終端局域網(wǎng)絡(luò).ZigBee終端設(shè)備將采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[3-4]，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)發(fā)往網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)主要作用是通過Internet或者移動網(wǎng)絡(luò)與用戶終端(手機(jī)、PC等)進(jìn)行通信，各室溫度情況實(shí)時顯示給用戶，用戶使用終端發(fā)出溫度需求設(shè)置信息，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)接收到調(diào)節(jié)命令并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制分集水器電動閥門的開度，從而對各個房間進(jìn)行溫度調(diào)節(jié).系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

對于并聯(lián)式供熱系統(tǒng)，各個房間的溫度可通過ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)控制分集水器的對應(yīng)流量閥進(jìn)行調(diào)節(jié).在分集水器的每個支路上安裝有電動流量調(diào)節(jié)閥[5]，該調(diào)節(jié)閥和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)相連，受ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)控制.基于ZigBee技術(shù)的分室控溫系統(tǒng)應(yīng)用安裝圖如圖2所示.

2 ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要包括溫度傳感器模塊采集溫度數(shù)據(jù)、MCU作為系統(tǒng)的核心單元控制電動閥門，以及無線射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā).設(shè)計的ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，安裝在各個住宅供熱的分集水器附近來控制電動閥門的開度，從而控制各室溫度.

圖2 應(yīng)用安裝示意圖 圖3 ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 微處理器模塊

本系統(tǒng)選擇的微處理器主控單元為Silicon Labs公司的C8051F124.

該模塊主要負(fù)責(zé)將無線RF模塊接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的計算及處理，然后通過接口電路控制電動閥門的開度，從而到達(dá)控制各室溫度的目的.

圖4 ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程

2.2 溫度傳感器模塊

選用型號為DS18B20的溫度傳感器.該傳感器具有體積小、功耗低、精度高、價格低的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于供電室冷凍倉等測溫場所.其接口電路簡單易用，是三腳封裝元件，包括數(shù)字信號輸出端(Vout)、接地端(GND)和外部電源供電端(Vs).我們通過其Vout和CC2530的ADC接口相連.

2.3 電動閥門

電動閥門通過MCU的I/O引腳與MCU相連，安裝在分集水器通往各室的管道水流出口處，MCU數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過I/O接口輸出控制電動閥門的開度，從而控制各個管道的水流量.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)流程如下圖所示，CC2530上電激活后，進(jìn)行PIB屬性初始化，如果被動掃描沒有發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器設(shè)備，該設(shè)備將自己設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后進(jìn)行組網(wǎng)，其組網(wǎng)流程如圖4所示.

為減小能耗，該網(wǎng)絡(luò)采用非信標(biāo)模式，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)，終端設(shè)備可進(jìn)行周期性休眠.安置于各個房間的ZigBee終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，建成ZigBee網(wǎng)絡(luò)之后，ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的工作處理流程圖如圖5所示.

3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)在上電激活后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)請求入網(wǎng)，收到協(xié)調(diào)器響應(yīng)的超幀并同步成功后，協(xié)調(diào)器給其分配一個16位的短地址，該終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò).之后處于等待接收協(xié)調(diào)器溫度采集命令狀態(tài)，收到命令后執(zhí)行溫度采集并把采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及調(diào)制后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再次進(jìn)入等待命令狀態(tài).為了減少能耗終端節(jié)點(diǎn)可周期性的進(jìn)入休眠狀態(tài).其工作流程如圖6所示.

4 結(jié) 語

綜上所述，本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡單，硬件成本較低，利用該網(wǎng)絡(luò)用戶可通過終端便捷的控制家庭內(nèi)各個房間的溫度，為用戶提供舒適度的同時實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.尤其對有多個閑置房間的酒店來說，有較大的實(shí)用價值.

圖5 ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖 圖6 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

[1]王維華,李娟,崔中健.適宜分戶計量、分室控溫的住宅功能系統(tǒng)形式[J].節(jié)能技術(shù),2001,19(2):22～24

[2]章偉聰,俞新武,李衷成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(7):184～187

[3]Wen-Tsai Sung,Jui-Ho Chen,Ching-Li Hsiao.Data fusion for PT100 temperature sensing system heating control model[J].Measurement,2014,52:94～101

[4]張勇軍,熊慶國.面向溫室集群的環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表,2015,30(3):27～30

[5]高雪為,劉兆峰,陳萍,等.基于ZigBee技術(shù)的熱泵供熱控制系統(tǒng)的研究[J].測控自動化,2011,27(7):69～71

Design of Heating System of Room Temperature Control Based on ZigBee Technology

YANGYang,FUJiang-long,HAOJuan,ZHENTong-miao,CHENSu-jun

(School of Information Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

Directing at parallel-type heating system,a design method of separated rom-temperature-controlling system is presented based on ZigBee technology,which can control the room temperature by user terminal.The system used CC2530 as the RF chip for the WSN node,and C8051F124 MCU as the master chip.Based on ZigBee protocol,the detailed WSN EndDevice and Cooridinator design scheme of hardware and software are provided.The topological structure is based on Star Network.After data processing,MCU controls the electric valve of diversity water device through I/O interface.With simple hardware structure and low implementation cost,the system has important application value for energy saving.

ZigBee technology；separated room temperature control；wireless sensor network；CC2530；user terminal control

2016-10-16

張北草原天路周邊山區(qū)戶外旅游微網(wǎng)站及野外搜尋智能背包開發(fā)(16236004D-8)

楊陽(1988-)女,助教.主要研究方向：嵌入式開發(fā)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.021

TP 3

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