对GPRS无线通信和Zigbee无线热网监控的研究

郭祖臣

摘要：Zigbee是一种低成本、低能耗、全双工的无线通信协议。本文阐述了Zigbee无线控制器实现的功能和软硬件结构以及上位机实现的功能。对目前热网监测系统中存在的问题提出了一种可行的解决方案。

关键词：Zigbee无线监控系统

0引言

随着对供热系统节能研究的深入，热计量与温度控制已成为当前暖通行业关注与研究的焦点，具有较高的技术含量，是一个高科技有效应用于有关国计民生的典范，具有广阔的市场空间。本研究通过对GPRS无线通信模块和Zigbee射频模块的控制进行温度、流量和压力数据的传输与交互，为智能热量表和智能温控阀预留了接口，解决了使用Modem过程中存在的问题，而使用智能热量表计量和使用智能温控阀控制可以解决热计量不透明的问题，为最终实现温度的实时监控计藿提供前提条件。

1关于Zigbee技术

传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。Zigbee协议正是为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。zigbee是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率的无线通信技术，其传输距离约为几十米，使用频段为免费的2.4GHz频段，传输速率为20—250KB／s网路架构具有Master／Slave属性，并可双向通信。在标准规范制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与Zigbee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。Zigbee联盟制订Zigbee可支持星形、树形和网状3种网路架构。相对于其他无线网络技术，它更适合于组建大范围的温度监控系统，将Zig-bee技术应用到集中供热监控系统中将有非常诱人的前景。

2系统功能与结构设计

2.1系统功能监控系统可对热网的运行实时监视、测量、记录热网运行参数并进行参数(温度、压力和流量)的超限报警；完成日常的管理工作，包括报表的生成和打印，热网计量管理，控制器的工作参数设定，远程数据采集，运行数据的汇总和综合分析和历史数据的备份等功能。通过对热网进行自动控制，使整个系统供热均匀，满足舒适性要求，同时减少热量消耗，达到节能的目的，为最终实现“热”的商业化和市场化提供前提条件。

2.2系统结构整个系统总体上可以分为3层：管理层、采集控制层和现场仪表层，而现场仪表层又可以分为Zigbee总节点和Zigbee分节点。

2.2.1管理层管理层位于热力公司主站，由以工业控制机为核心的网络组成，工业控制机全天候运行。工业控制机既是调度中心的服务器，同时相对于各采集控制站点来说，又是客户机。服务器通过ADSL实时采集、存储来自各客户机站点的数据，并对各站点运行情况进行实时监控。

2.2.2采集控制层采集控制层位于各热力公司分站，实时采集、存储、监视和处理来自智能传感器的信号，完成采集数据的网络传输，并且能够随时设定超限报警等参数。

2.2.3现场仪表层现场仪表层位于各个热用户的住宅内，分为Zigbee总节点PICF4620通信，将温度信号采样、调理直接转换为标准的数字和Zigbee分节点。Zigbee总节点由Zigbee芯片CC2420和GPRS模块等组成，而Zigbee分节点由智能温度、压力、流量传感器，Zigbee芯片CC2420和LCD等组成，智能传感器将实物理量经过采集、调理直接转换为标准的数字信号通Zigbee和GPRS网络传输给采集控制层。

2.3系统软硬件结构设计

2.3.1系统硬件设计系统硬件部分由上位机与下位机两部分组成。上位机部分由Pc机组成，下位机部分由Zigbee总节点控制器和Zigbee分节点控制器组成。Zigbee总节点控制器选用Microchip的PICF4620芯片作为核心，安装在各个楼层的公共位置：Zigbee分节点控制器选用Microchip的PICF4620芯片作为核心，安装在各个热用户的住宅内。GPRS模块选用Motorola的G200G20是该公司推出的内嵌TCP／IP协议的GSM／GPRS模块，性能优越，体积小巧，而且解决了GSM／GPRS模块无线通信和数据传输终端的协议瓶颈和成本问题。该模块广泛应用于短信中心、GPRS监控系统、无线POS机、无线抄表、车辆防盗等。G20通过UART与PICF4620进行通信，将数据信息与控制信号在Zigbee总节点控制器和上位机之间进行双向的传递。Zigbee是一种低成本、低能耗、全双工的无线通信协议。Zigbee模块选用Microchip生产的CC2420芯片及其自主开发的Microchip协议栈1.0精简版。CC2420芯片通过SPl与单片机PICF4620通信，将数据信息与控制信号在Zigbee总节点控制器和Zigbee分节点控制器之间进行双向的传递。DS1821是美国DALLAS半导体公司推出的一种新型单线可编程智能温度传感器。DSl821通过I／O接口与单片机PICF4620通信，将温度信号采样、调理直接转换为标准的数字信号再通过Zigbee和GPRS网络传输给上位机。

2.3.2系统软件设计系统软件部分由下位机与上位机两部分组成。下位机软件主要实现控制器对数据(温度、压力和流量)的采集与传输，对热阀的控制和超限现场报警等功能。下位机软件又可以分为Zigbee总节点部分和Zigbee分节点部分。Zigbee总节点软件部分负责将Zigbee分节点采集到的数据和信号集中，通过GPRS模块传送到上位机，将上位机发送的控制指令向下传给Zigbee分节点：Zigbee分节点软件部分负责将智能传感器采集到的数据和信号通过Zigbee网络传送到Zigbee总节点，接收Zigbee总节点发送的控制指令去控制电机实现智能热阀的自动控制。在熟悉Microchip协议栈1.0精简版和AT指令集的基础上，实现智能传感器的户内温度、压力和流量测量，然后通过Zigbee和GPRS网络进行数据的传输。上位机软件主要实现包括用户管理及参数配置，数据库结构设计，实时监控和报警，系统数据显示和报表打印等功能。作为一个完整的监控系统，对其安全性的设计是非常重要的。热网监控系统设计应用程序登录时应有密码保护，对使用人员有权限设定，能够对数据库的实时数据和历史记录进行恢复和备份，这些安全手段都有效地保证了系统和数据库的安全。此外，由于监控系统可以适用于热网的不同情况，因此热网的一些基本参数有时会需要改动。监控系统可以对这些参数进行修改，方便管理人员对热网的操作和管理。

3结束语

采用Zigbee这种短距离无线通信技术，在热网监控系统的解决方案中不需要重新布线就可以有效地进行温度采集和控制：GPRS通信方式有瞬问上网、永远在线、快速传送、按量计费、数据吞吐量大的优点。所以基于Zigbee和GPRS技术的系统可以给热网监控系统的数据采集增加一种新的解决方案，但也需要对热阀进行数字化升级。随着无线通信的发展，Zigbee短距离无线通信技术和GPRS移动通信技术将在工控系统中有广阔的发展前景。