基于ZigBee技术的楼宇温控系统的设计

曹 伟 刘雨佳

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

引言

在我国北方地区，传统的供暖系统多是以燃煤作为热源，通过添加热水给室内供暖，这种供暖系统是国内长期使用的供暖方式，但这种供暖方式也暴露出一些弊端，如：燃烧后的烟气引起煤尘而造成环境空气污染，燃烧不完全释放出有害气体，燃烧锅炉占地面积大、噪声大、维护费用较高，造成能源的大量浪费等问题。也有一些地区采用燃油、燃气作为热源，同样也造成空气污染、噪声污染等问题。这些问题都督促供暖设计人员改进技术，探求研究新型的系统供暖方法。

本文采用地热电缆敷设于地面中，电缆通电后发热升温，然后均匀加热室内空气，同时，地热电缆能把热能最大限度的辐射出去，热效率高，并且节省了传统供暖的暖气片所占房屋的有效面积。地热电缆辐射供暖方式使室内温度地面温度分布均匀，更适合人体的供暖需求，使人感到更舒适。这种方法“按需供暖，按表计量，谁交费谁受益”，解决了采暖费用收费难的问题，并且可以做到有人时启动，无人时可调低温度，最终达到节能的目的。

在现有的楼宇供暖系统中，如果用户要进行改造，必然要对墙体或者地面进行大规模的改动，这样既浪费人力和物力，又需要花费很大的成本，投入很多精力。利用ZigBee无线网络技术，在每个温控器上加一个ZigBee节点，就能实现对温控系统的实时控制，这样可以在不破坏墙体的前提下，实现对楼宇温控设备的管理。

1 ZigBee技术

ZigBee是一个由可以多到65536个节点组成的一个无线数传网络平台，类似移动通讯的CDMA网或GSM网。不同的是，ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输建立的，而移动通信网主要是为语音通讯建立的。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象（如传感器）连接，直接进行数据采集和监控，还可以自动中转其他网络节点传过来的数据资料；除此之外，每个网络节点可以在自己信号覆盖的范围内，同多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点（如精简功能设备）无线连接；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里。

ZigBee技术主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络）、医疗（如监视和传感）、家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警）、消费类电子设备的遥控装置和PC外设的无线连接等领域。ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全及免执照频段等优点。

ZigBee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。IEEE802.15.4共定义了3个工作频带：2.4GHz，915MHz和868MHz。每个频带提供固定数量的信道。如，2.4GHz频带共提供16个信道（信道11-26），915MHz频带提供10个信道（信道1-10），而868MHz频带提供1个信道（信道0）。

ZigBee协议的比特率由所选择的工作频率决定。2.4GHz频带提供的数据速率为250kbps，915MHz频带提供的数据速率为40kbps，而868MHz频带提供的数据速率为20kbps。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。

2 系统硬件结构

本系统主要由上位管理机、现场监控单元、智能温控模块、报警节点和室外温度节点组成。上位管理机完成各个房间的工作方式（温控或定时）、房间温度、加热起始终止时间等参数的设定，对各功能节点传送来的数据进行分析和保存，并完成对功能节点状态的巡检。现场监控单元负责现场实时状态数据的收集、缓存和转发，并根据上位机的指令进行相应的通信处理和控制，通信出现故障时报警。每个温控模块控制一个受控房间，温控模块的数量可根据建筑物的规模增加或减少。室外温度节点负责采集室外温度，与室内温度进行比较，以便系统设置合适的参数。针对房间的位置、朝向、房间的使用时间不同，使不同功能区（如办公室、工具间、车库等）处于不同温度，不同时间段（上班、下班、节假日等）采用正常运行或低温运行方式。系统组成结构图如图1所示。

楼宇温控系统下设N个现场监控单元，管辖几十个到上百个温控模块，每个温控模块都含有一个ZigBee节点。温控模块的运行数据需要传输到现场监控单元，由于温控模块分布在较大的区域中又呈现一种簇状分布，因此整个系统采用主从节点的设计模式。

在采集各节点数据时，我们使用星状网络拓扑结构，其基本思想是：主节点在收到请求后依次对每个和自己关联的从节点发出唤醒信号，从节点被唤醒后将监控到的数据发送给主节点，当主节点搜集到所有从节点的信息后，统一发送到现场监控单元。这样在节省功耗的同时，既可以避免消息碰撞，又增大了网络容量。

图1 系统组成结构图

全功能设备（FFD）支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器（Network Coordinator），能和任何设备通信；精简功能设备（(RFD）通常只用于星状网络拓扑结构中，不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信。RFD内部电路较FFD简单，实现相对简单，也更利于节能。因此根据系统特点，每个簇采用星状网络拓扑结构。其中主节点采用的物理设备为FFD，从节点则使用RFD。

本设计中的ZigBee节点采用电池供电，节点体积受安装环境制约，要尽可能小，而且有效工作时间也要尽可能长，无线通信需要电池提供足够大的电流，耗电量比较大，所以节点设计必须为低功耗设计。ZigBee节点硬件结构图如图2所示。CPU采用低功耗的16位微处理器MSP430FG4618，无线收发芯片采用符合Zig－Bee标准的CC2420。

图2 ZigBee节点硬件电路图

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括上位管理机与现场监控单元的通信、现场监控单元与各智能节点的通信和数据采集处理模块。

位于楼宇控制室的上位管理机是楼宇温控系统的主处理服务器，也是系统处理核心。上位管理机从分布在监测区域的现场监控单元和各智能节点接收实时状态数据，对接收到的数据进行逻辑处理、分析和报警。同时，上位管理机根据监测数据信息，向相应现场监控单元发送控制指令，该现场监控单元经过指令分析和ID确认后通过无线网向相应的ZigBee节点发送控制指令。

上位管理机提供整个楼宇自动化系统的视图，在该视图上，无监测区域是简化显示，监测区域为重点显示对象，另外，还可以看到监测区域对应的现场监控单元。正常情况下，监测区域为绿色显示。如果监测到故障（现场监控单元故障或监测值超过阈值），现场监控单元将用红色闪烁显示并伴随声光报警。当监测值趋势分析产生预警时，现场监控单元将用黄色闪烁显示。用户可以通过上位管理机启动或关闭某个现场监控单元对某个监控对象（ZigBee节点）的监测。

为了防止干扰源侵入系统破坏数字信号的时序，更改单片机寄存器内容，导致程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入死循环。因此，在程序设计中采取指令冗余设计、软件陷阱设计和程序监视定时器设计的措施，通过软件技术增强系统的稳定运行能力。

4 结语

我国经济发展迅速，智能建筑的数量将会越来越多，选择适合中国国情的楼宇自动化产品是人们迫切需要关注的一个问题。本文给出了基于ZigBee技术的楼宇温控系统的设计方法。经测试表明，该系统具有良好的实用性能，没有对环境造成污染且成本较低。随着ZigBee技术的不断发展，其低成本、低功耗和较大的覆盖范围等特点成为楼宇温控系统新的亮点，这也将给我国开发自主的具有世界先进水平的楼宇温控产品提供一个崭新的契机。

[1]庄猛.加热电缆的种类及应用[J].电线电缆,2000,5：1-2.

[2]蒋挺,赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社,2006,6.

[3]IEEE802.15.http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.

[4]Texas Instruments.http://www.ti.com/.