基于無線傳感技術的樓宇供暖監控系統

摘 要： 研究一種基于ZigBee無線傳感技術的樓宇供暖監控系統，可以隨時隨地對樓宇內供暖狀況進行監控，實現全雙工模式監控，實時采集采暖用戶樓宇的溫度，結合住戶內部人員情況自動調節閥門，控制屋內溫度，實時對住戶供暖信息進行采集、抄表以及實現漏水檢測等功能。主要對ZigBee無線傳感節點的處理器模塊、數據采集模塊、通信模塊以及電源模塊等硬件系統進行設計，同時對無線傳感網絡各節點的處理器和模塊程序進行設計，以及對供暖監控中心的組態界面進行設計。實踐結果表明，該設計達到了預期目標。

關鍵詞： 無線傳感網絡； ZigBee； 樓宇供暖監控； MSP430

中圖分類號： TN915?34； TP27 文獻標識碼： 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

我國大部分地區在冬季主要采用24 h不間斷的集中供暖方式，計費方式基本按照用戶樓房的建筑面積計算。大部分地區采用的常規供暖方式沒有考慮用戶樓房內的實際溫度狀況，以及樓房內是否有人居住等，另一方面，采暖用戶不能隨時隨地地遠程監控自己住房內供暖情況。采暖用戶只能被動接受供熱，不能根據自身樓房的居住情況進行調節溫度和開關供暖閥門，采暖用戶實際需求熱量和繳納的取暖費不對等，造成了大量的能源浪費。隨著社會的不斷發展，人們越來越關注能源浪費現象，同時人們的經濟意識不斷增強，住房面積不斷增大，實施分戶供熱計費，實現遠程無線監控樓宇供暖狀況基本能夠解決現存問題，同時也是發展的潮流和趨勢[1?3]。

目前，部分地區已經實現對供暖的分戶監控，其主要采用兩種監控方式：一種是就地控制，即樓宇內采暖用戶在住戶內部使用操作面板的方式對供暖設備的狀態進行監測和控制；另一種方式是通過采集裝置對供暖設備的狀態進行采集監測，并通過總線方式將數據傳輸到供暖監控中心。這兩種監控方式可以實現遠程監控，但是卻無法實現隨時隨地全雙工模式的監控[4?5]。因此本文研究一種基于ZigBee無線傳感技術的樓宇供暖監控系統，可以隨時隨地對樓宇內供暖狀況進行監控，實現全雙工模式監控，實時采集采暖用戶樓宇的溫度，結合住戶內部人員情況自動調節閥門，控制屋內溫度，實時對住戶供暖信息進行采集、抄表、以及實現漏水檢測等功能。

1 系統總體結構

基于無線傳感技術的樓宇供暖監控系統總體結構如圖1所示，主要由樓宇內智能供暖監控系統、通信媒介、Web信息中心以及移動終端等組成。數據傳輸的上層網絡主要是指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絡的ZigBee無線節點監測的供暖數據信息，加以分析處理后存儲到數據庫中，根據實際情況下發控制指令等。

基于Android/IPhone/Windows Phoned 的移動終端能夠使用3G網絡連接到Web信息中心的公共數據庫，讀取用戶的下層網絡監測數據。數據傳輸的下層網絡主要是指樓宇內的基于ZigBee技術的無線傳感網絡，ZigBee采用樹形的網絡拓撲結構，各個ZigBee節點的溫控器能夠實時采集采暖住戶的室內溫度、進水溫度、回水溫度、管道流量，同時能夠對管路閥門開度進行調節。各個ZigBee節點的數據匯總到網關節點，并通過網關節點的數據傳輸網絡傳到Web信息中心[6?7]。

在此主要針對數據傳輸下層網絡的ZigBee無線傳感網絡技術進行研究，其主要是進行底層數據的采集和控制，是整個供暖監控系統最主要、最重要的環境。

2 ZigBee無線傳感網絡節點硬件系統

ZigBee無線傳感的節點屬于微型的嵌入式系統，使用模塊化設計思想，主要由處理器模塊、數據采集模塊、通信模塊以及電源模塊等組成，無線網絡節點的硬件系統如圖2所示[8]。

本文研究的無線傳感網絡節點處理選取TI公司的MSP430系列處理器，MSP430功耗低、性能穩定，特別適用于對功耗有限制的場合，MSP430處理器使用四線制JTAG接口下載調試程序，MSP430處理器的JTAG接口電路如圖3所示[9]。

數據采集模塊主要是對室內溫度、進回水的溫度和流量進行監測，在此以溫度傳感器采集模塊為例說明采集模塊的電路設計。溫度傳感器選用功耗低、性能穩定的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 論

本文研究一種基于ZigBee無線傳感技術的樓宇供暖監控系統，可以隨時隨地對樓宇內供暖狀況進行監控，實現全雙工模式監控，實時采集采暖用戶樓宇的溫度，結合住戶內部人員情況自動調節閥門，控制屋內溫度，實時對住戶供暖信息進行采集、抄表、以及實現漏水檢測等功能。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行設計，并使用模塊化設計思想對網絡中的協議棧、網格、路由算法以及傳感器采集程度等進行設計。

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