對GPRS無線通信和Zigbee無線熱網(wǎng)監(jiān)控的研究

郭祖臣

摘要：Zigbee是一種低成本、低能耗、全雙工的無線通信協(xié)議。本文闡述了Zigbee無線控制器實現(xiàn)的功能和軟硬件結(jié)構(gòu)以及上位機實現(xiàn)的功能。對目前熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的問題提出了一種可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：Zigbee無線監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

隨著對供熱系統(tǒng)節(jié)能研究的深入，熱計量與溫度控制已成為當(dāng)前暖通行業(yè)關(guān)注與研究的焦點，具有較高的技術(shù)含量，是一個高科技有效應(yīng)用于有關(guān)國計民生的典范，具有廣闊的市場空間。本研究通過對GPRS無線通信模塊和Zigbee射頻模塊的控制進行溫度、流量和壓力數(shù)據(jù)的傳輸與交互，為智能熱量表和智能溫控閥預(yù)留了接口，解決了使用Modem過程中存在的問題，而使用智能熱量表計量和使用智能溫控閥控制可以解決熱計量不透明的問題，為最終實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控計藿提供前提條件。

1關(guān)于Zigbee技術(shù)

傳感和控制設(shè)備的通信并不需要高的帶寬，但是要求低的反應(yīng)時間，非常低的能量消耗，以及大范圍的設(shè)備分布。Zigbee協(xié)議正是為無線網(wǎng)絡(luò)中傳感和控制設(shè)備之間的通信提供了一個極好的解決標(biāo)準(zhǔn)。zigbee是一種短距離、架構(gòu)簡單、低消耗功率與低傳輸速率的無線通信技術(shù)，其傳輸距離約為幾十米，使用頻段為免費的2.4GHz頻段，傳輸速率為20—250KB／s網(wǎng)路架構(gòu)具有Master／Slave屬性，并可雙向通信。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂方面，主要是IEEE802.15.4小組與Zigbee Alliance兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee聯(lián)盟制訂Zigbee可支持星形、樹形和網(wǎng)狀3種網(wǎng)路架構(gòu)。相對于其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它更適合于組建大范圍的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，將Zig-bee技術(shù)應(yīng)用到集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)中將有非常誘人的前景。

2系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1系統(tǒng)功能監(jiān)控系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的運行實時監(jiān)視、測量、記錄熱網(wǎng)運行參數(shù)并進行參數(shù)(溫度、壓力和流量)的超限報警；完成日常的管理工作，包括報表的生成和打印，熱網(wǎng)計量管理，控制器的工作參數(shù)設(shè)定，遠程數(shù)據(jù)采集，運行數(shù)據(jù)的匯總和綜合分析和歷史數(shù)據(jù)的備份等功能。通過對熱網(wǎng)進行自動控制，使整個系統(tǒng)供熱均勻，滿足舒適性要求，同時減少熱量消耗，達到節(jié)能的目的，為最終實現(xiàn)“熱”的商業(yè)化和市場化提供前提條件。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)總體上可以分為3層：管理層、采集控制層和現(xiàn)場儀表層，而現(xiàn)場儀表層又可以分為Zigbee總節(jié)點和Zigbee分節(jié)點。

2.2.1管理層管理層位于熱力公司主站，由以工業(yè)控制機為核心的網(wǎng)絡(luò)組成，工業(yè)控制機全天候運行。工業(yè)控制機既是調(diào)度中心的服務(wù)器，同時相對于各采集控制站點來說，又是客戶機。服務(wù)器通過ADSL實時采集、存儲來自各客戶機站點的數(shù)據(jù)，并對各站點運行情況進行實時監(jiān)控。

2.2.2采集控制層采集控制層位于各熱力公司分站，實時采集、存儲、監(jiān)視和處理來自智能傳感器的信號，完成采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且能夠隨時設(shè)定超限報警等參數(shù)。

2.2.3現(xiàn)場儀表層現(xiàn)場儀表層位于各個熱用戶的住宅內(nèi)，分為Zigbee總節(jié)點PICF4620通信，將溫度信號采樣、調(diào)理直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字和Zigbee分節(jié)點。Zigbee總節(jié)點由Zigbee芯片CC2420和GPRS模塊等組成，而Zigbee分節(jié)點由智能溫度、壓力、流量傳感器，Zigbee芯片CC2420和LCD等組成，智能傳感器將實物理量經(jīng)過采集、調(diào)理直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號通Zigbee和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給采集控制層。

2.3系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件部分由上位機與下位機兩部分組成。上位機部分由Pc機組成，下位機部分由Zigbee總節(jié)點控制器和Zigbee分節(jié)點控制器組成。Zigbee總節(jié)點控制器選用Microchip的PICF4620芯片作為核心，安裝在各個樓層的公共位置：Zigbee分節(jié)點控制器選用Microchip的PICF4620芯片作為核心，安裝在各個熱用戶的住宅內(nèi)。GPRS模塊選用Motorola的G200G20是該公司推出的內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議的GSM／GPRS模塊，性能優(yōu)越，體積小巧，而且解決了GSM／GPRS模塊無線通信和數(shù)據(jù)傳輸終端的協(xié)議瓶頸和成本問題。該模塊廣泛應(yīng)用于短信中心、GPRS監(jiān)控系統(tǒng)、無線POS機、無線抄表、車輛防盜等。G20通過UART與PICF4620進行通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號在Zigbee總節(jié)點控制器和上位機之間進行雙向的傳遞。Zigbee是一種低成本、低能耗、全雙工的無線通信協(xié)議。Zigbee模塊選用Microchip生產(chǎn)的CC2420芯片及其自主開發(fā)的Microchip協(xié)議棧1.0精簡版。CC2420芯片通過SPl與單片機PICF4620通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號在Zigbee總節(jié)點控制器和Zigbee分節(jié)點控制器之間進行雙向的傳遞。DS1821是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種新型單線可編程智能溫度傳感器。DSl821通過I／O接口與單片機PICF4620通信，將溫度信號采樣、調(diào)理直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號再通過Zigbee和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機。

2.3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件部分由下位機與上位機兩部分組成。下位機軟件主要實現(xiàn)控制器對數(shù)據(jù)(溫度、壓力和流量)的采集與傳輸，對熱閥的控制和超限現(xiàn)場報警等功能。下位機軟件又可以分為Zigbee總節(jié)點部分和Zigbee分節(jié)點部分。Zigbee總節(jié)點軟件部分負(fù)責(zé)將Zigbee分節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)和信號集中，通過GPRS模塊傳送到上位機，將上位機發(fā)送的控制指令向下傳給Zigbee分節(jié)點：Zigbee分節(jié)點軟件部分負(fù)責(zé)將智能傳感器采集到的數(shù)據(jù)和信號通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送到Zigbee總節(jié)點，接收Zigbee總節(jié)點發(fā)送的控制指令去控制電機實現(xiàn)智能熱閥的自動控制。在熟悉Microchip協(xié)議棧1.0精簡版和AT指令集的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)智能傳感器的戶內(nèi)溫度、壓力和流量測量，然后通過Zigbee和GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳輸。上位機軟件主要實現(xiàn)包括用戶管理及參數(shù)配置，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計，實時監(jiān)控和報警，系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示和報表打印等功能。作為一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)，對其安全性的設(shè)計是非常重要的。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用程序登錄時應(yīng)有密碼保護，對使用人員有權(quán)限設(shè)定，能夠?qū)?shù)據(jù)庫的實時數(shù)據(jù)和歷史記錄進行恢復(fù)和備份，這些安全手段都有效地保證了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的安全。此外，由于監(jiān)控系統(tǒng)可以適用于熱網(wǎng)的不同情況，因此熱網(wǎng)的一些基本參數(shù)有時會需要改動。監(jiān)控系統(tǒng)可以對這些參數(shù)進行修改，方便管理人員對熱網(wǎng)的操作和管理。

3結(jié)束語

采用Zigbee這種短距離無線通信技術(shù)，在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案中不需要重新布線就可以有效地進行溫度采集和控制：GPRS通信方式有瞬問上網(wǎng)、永遠在線、快速傳送、按量計費、數(shù)據(jù)吞吐量大的優(yōu)點。所以基于Zigbee和GPRS技術(shù)的系統(tǒng)可以給熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集增加一種新的解決方案，但也需要對熱閥進行數(shù)字化升級。隨著無線通信的發(fā)展，Zigbee短距離無線通信技術(shù)和GPRS移動通信技術(shù)將在工控系統(tǒng)中有廣闊的發(fā)展前景。