基于ZigBee技术的分室控温供热系统设计

杨 阳 付江龙 郝 娟 甄同妙 陈素军

(河北建筑工程学院信息工程学院，河北 张家口 075000)

基于ZigBee技术的分室控温供热系统设计

杨 阳 付江龙 郝 娟 甄同妙 陈素军

(河北建筑工程学院信息工程学院，河北 张家口 075000)

针对并联式供热系统，提出一种基于ZigBee技术的分室控温系统设计方案，可实现用户通过控制终端例如手机、PC机对各房间进行温度调节.系统采用CC2530作为无线传感器节点通信模块，C8051F124单片机作为MCU，进行了基于ZigBee协议的无线传感器网络协调器节点和终端节点软硬件设计，二者基于星状网络拓扑结构构成无线传感器网络.MCU进行数据计算处理后通过I/O接口对用户分集水器电动阀门进行开度控制.该系统具有硬件结构简单，实施成本低等特点，在节能减排方面具有实际应用价值.

ZigBee技术；分室控温；无线传感器网络；CC2530；用户终端控制

0 引 言

目前的集中供热系统，普遍使用的是按用户均衡供热，这种供热方式造成了不必要的能源浪费.为了满足用户按需调控各个房间温度的需求，本文针对并联式供热系统[1]，研究设计了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络，通过该网络用户通过终端进行分室控温的供热系统.该系统可用于多种场合，比如酒店管理人员可通过终端控制对一些闲置的房间降温以节省能源；居民用户可按需对各个房间进行温度控制，例如提高盥洗室温度降低储物间温度等.

1 系统整体架构

图1 用户分室控温网络系统结构图

系统利用ZigBee技术在每个用户内部搭建基于星型的ZigBee无线传感器网络[2].在用户的每个装有暖气片的房间内放置一个ZigBee终端设备，每个用户的分集水器处放置一个ZigBee协调设备，该设备包括网络协调器、MCU和电动阀门，ZigBee终端节点和协调器通过无线自组织方式构成一个WSN(无线传感器网络)的终端局域网络.ZigBee终端设备将采集的温度数据发送给网络协调器[3-4]，网络协调器将数据发往网关，网关主要作用是通过Internet或者移动网络与用户终端(手机、PC等)进行通信，各室温度情况实时显示给用户，用户使用终端发出温度需求设置信息，协调节点接收到调节命令并进行数据处理后控制分集水器电动阀门的开度，从而对各个房间进行温度调节.系统网络结构如图1所示.

对于并联式供热系统，各个房间的温度可通过ZigBee协调节点控制分集水器的对应流量阀进行调节.在分集水器的每个支路上安装有电动流量调节阀[5]，该调节阀和ZigBee协调节点相连，受ZigBee协调节点控制.基于ZigBee技术的分室控温系统应用安装图如图2所示.

2 ZigBee协调节点硬件结构

ZigBee协调节点主要包括温度传感器模块采集温度数据、MCU作为系统的核心单元控制电动阀门，以及无线射频模块进行数据的收发.设计的ZigBee协调节点硬件结构图如图3所示，安装在各个住宅供热的分集水器附近来控制电动阀门的开度，从而控制各室温度.

图2 应用安装示意图 图3 ZigBee协调节点硬件结构图

2.1 微处理器模块

本系统选择的微处理器主控单元为Silicon Labs公司的C8051F124.

该模块主要负责将无线RF模块接收的数据进行相关的计算及处理，然后通过接口电路控制电动阀门的开度，从而到达控制各室温度的目的.

图4 ZigBee协调节点组网流程

2.2 温度传感器模块

选用型号为DS18B20的温度传感器.该传感器具有体积小、功耗低、精度高、价格低的特点，被广泛应用于供电室冷冻仓等测温场所.其接口电路简单易用，是三脚封装元件，包括数字信号输出端(Vout)、接地端(GND)和外部电源供电端(Vs).我们通过其Vout和CC2530的ADC接口相连.

2.3 电动阀门

电动阀门通过MCU的I/O引脚与MCU相连，安装在分集水器通往各室的管道水流出口处，MCU数据处理结果通过I/O接口输出控制电动阀门的开度，从而控制各个管道的水流量.

3 系统软件设计

3.1 ZigBee协调节点软件设计

ZigBee协调节点软件实现流程如下图所示，CC2530上电激活后，进行PIB属性初始化，如果被动扫描没有发现协调器设备，该设备将自己设定为网络协调器，然后进行组网，其组网流程如图4所示.

为减小能耗，该网络采用非信标模式，协调器节点一直处于工作状态，终端设备可进行周期性休眠.安置于各个房间的ZigBee终端设备加入网络，建成ZigBee网络之后，ZigBee协调节点的工作处理流程图如图5所示.

3.2 ZigBee终端节点软件设计

ZigBee终端节点在上电激活后，向协调器发送信标请求入网，收到协调器响应的超帧并同步成功后，协调器给其分配一个16位的短地址，该终端节点成功加入网络.之后处于等待接收协调器温度采集命令状态，收到命令后执行温度采集并把采集数据经A/D转换及调制后发送给协调器，再次进入等待命令状态.为了减少能耗终端节点可周期性的进入休眠状态.其工作流程如图6所示.

4 结 语

综上所述，本文设计了一种基于ZigBee技术的无线传感器网络，该网络实现简单，硬件成本较低，利用该网络用户可通过终端便捷的控制家庭内各个房间的温度，为用户提供舒适度的同时实现节能减排.尤其对有多个闲置房间的酒店来说，有较大的实用价值.

图5 ZigBee协调节点软件流程图 图6 ZigBee终端节点软件流程图

[1]王维华,李娟,崔中健.适宜分户计量、分室控温的住宅功能系统形式[J].节能技术,2001,19(2):22～24

[2]章伟聪,俞新武,李衷成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,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]张勇军,熊庆国.面向温室集群的环境无线监控系统设计[J].自动化与仪表,2015,30(3):27～30

[5]高雪为,刘兆峰,陈萍,等.基于ZigBee技术的热泵供热控制系统的研究[J].测控自动化,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

张北草原天路周边山区户外旅游微网站及野外搜寻智能背包开发(16236004D-8)

杨阳(1988-)女,助教.主要研究方向：嵌入式开发与物联网技术.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.021

TP 3

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