基于ZigBee无线热能检测系统设计

　　在目前的供暖体制争议非常多，一般以住宅面积收取供暖费的方式受到越来越多用户的质疑。又由于楼层的关系，各用户的实际室内温度也不相同，按照目前的方法，必须缴纳相等的取暖费，这就带来了矛盾。例如：用户不能确定实际到底用了多少热能，也不能主动控制热能的使用，供暖公司还需要挨家挨户查表等问题。为了提出按照热能实际使用情况收取费用的方案，本设计提出采用ZigBee无线传感器网络，实时监控用户热能使用情况，用户也能自由地控制自己的热能使用，用户数据实时或定时传送给供暖公司监控中心，及时掌握供暖质量，优化服务。

　　1 ZigBee技术

　　ZigBee技术是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，遵循IEEE 802.15.4标准。它专注于低速率传输控制，网络容量大，时延短，提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，网络扩充性强，有效覆盖范围为10～75 m，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境，通信频率采用2.4 GHz免执照频段。

　　2系统工作原理和硬件设计

　　2.1工作原理

　　设计ZigBee模块并组建无线传感器网络，传感器采集用户的进水端水温T2和出水端水温T1，根据水的物理特性可以计算出水释放的热量。释放的热量Q的计算公式如下：

　　式中：C为水的比热容，C=4.2×103J/kg·℃;m表示水的质量;△T表示温差;ρ为水的密度;V代表水的体积;r为管道半径;υ为循环水流速(单位：m/s);t是用户开启暖气的时间;π为圆周率;T2，T1分别为进水和回水温度值;用户总消耗的热能量Q'=∑Q。

　　ZigBee网络负责把终端节点测得的数据显示并无线传输到协调器，协调器处理后上传到PC，通过上位机监视和控制整个系统。

　　2.2硬件设计及原理图

　　无线射频芯片选择CC2430-F128，传感器采用数字式DS18B20，LCD选用ST7920以及USB转串口芯片CP2102。无线射频芯片CC2430-F128工作在2.4 GHz的ISM免费频段，可以使能16个信道，内嵌工业级8051内核方便开发应用，支持2个多串行通信协议的USART，8路内嵌8～14位ADc，易于扩展其他功能，且输出功率编程可控。传感器DS18B20采用的是1-Wire总线协议方式，每个器件上都有惟一的序列号，测量温度范围为-55～+125℃，分辨率可选择9～12位，内部设有温度上、下限告警，满足应用要求。

　　用户室内安装的热能检测终端模块包括温度传感器、LCD模块、无线数据发送芯片。协调器在终端的基础上扩展了USB转串口模块连接PC，直接通过上位机远程控制进行数据通信。系统电路图如图1所示。