基于ZigBee技术的热计量远程抄表系统研究

仪器安装在用户的供水管上，并将温度传感器分别装在供水与回水管路上。通过对热水流量和供水、回水温度的采样，按照流量和热量公式通过热量积分仪自动计算流量和热量。其基本原理公式为：

式中：Q为吸收或释放的热量(单位：J或W・h)；qm为流经热量表的水的质量流量(单位：kg／h)；q为流经热量表的体积流量(单位：m3／h)；ρ为流经热量表的水的密度(单位：kg／m3)；△h为在热交换系统的入口与出口温度下，水的比焓值差(单位：J／kg)；t为时间(单位：h)。
将上式化为和式，为：

式中：qui为第i时刻流经热量表的体积；hti，ht2分别为供水、回水的温度下对应的比焓值。
2．2 协调器
协调器一方面采用ZigBee无线网络方式同路由节点连接，另一方面采用GPRS与上位机电脑连接，从而实现远程监控。因此在ZigBee芯片CC2430外扩展GPRS模块。

3系统组网与软件设计
ZigBee无线网络有三种网络拓扑结构：星状、串(树)状和网状。每个网络中都有惟一的一个协调器，它相当于有限局域网中的服务器，具有对本网络的管理能力。网络中只有全功能节点(Full Function Device)才可以作为协调器、路由器以及终端节点使用，而半功能节点(Reduce Function Device)只能作为终端节点使用。
考虑到系统应用环境的复杂性，本文采取网状自组织结构，每块热计量表都设置为全功能节点。默认的ZigBee协议栈支持5级路由深度，每个路由器可以连接20个节点(最多包括6个路由器节点，14个终端节点)，用户可以根据网络的大小修改协议栈，从而提高路由深度和连接的节点数。
3．1 ZigBee无线自组网的建立
各节点进行自组织，建立网络，由于自组织前，各节点路由表都是空白的，自组织过程只能用广播方式联系其他节点。协调器发送广播(默认协调器节点级别为0)，处于其网络覆盖范围内的节点收到广播后，做出应答，并定义自己的级别为1。协调器根据收到的应答信号更新路由表。级别为1的节点收到协调器的应答信号后，各自广播，节点收到信号，定义自己为2级节点。依次类推，网络中每个节点会得到一张路由表。在自组织过程中，某些节点可能收到来自不同级别的其他节点发送的广播，根据上述规则，节点会定义自己为几个不同的级别，程序取其中最低级别(最靠近协调器)的级别。
当有新节点加入时，节点发送广播，收到广播的节点发送返回信息，新节点根据返回信息自动选择两个路由层低，链路信号好的节点作为自己的父节点，同时，自身的路由层在父节点路由层上加1。当新节点加入网路后，向协调器发送绑定请求，下一跳为自身父节点，目的地址为协调器。父节点收到绑定信号好后，向上一级
父节点转发，以此类推。网络拓扑图如图3所示。

每隔若干个小时，网络自动对路由节点进行维护，每个节点均向协调器发送一条路由维护信息，协调器收到节点信息，将返回确认信息。如每个节点都收到返回信息，则证明网络正常，否则，未收到确认信号的节点将重新加入网络。
3．2数据的转发
在该无线自组网中，能直接将数据发送到协调器的节点只有1级节点，1级以下节点要发送数据到协调器，必须通过数据的多点跳转，反之，协调器可以通过单挑或多条方式发送命令字或数据到网络中的某个节点。