家用水暖设备温度无线监测系统研究

刘玉亮　周刚　刘亚军　石飞　吕小毅

摘要：为解决家用水暖设备温度难以监测的问题，文章介绍了一种温度无线监测系统。整个系统采用ZigBee通信方式，硬件部分设计出只带电池的温度传感器节点和显示功能的上位机。为了降低传感器节点的功耗，软件部分设计出分时式和触发式相结合的数据传输方案，并且采用顺序估计的方法获取统计值作为模型参数来代替原始数据进行传输。通过实验表明，这种温度无线监测系统安装简单、工作时间长。

关键词：无线监测；ZigBee通信；传感器节点；上位机；分时式；触发式

1.研究背景

传统的水暖设备，需要用户自己根据自身感受估算温度状况，这大大增加了用户使用时候的难度。本系统主要实现对水暖设备冬天供暖状况的实时监测。通过在出水位置安装基于ZigBee网络的温度采集节点来测量温度，并以无线传输的方式发送到上位机。用户可以通过上位机查询需要的数据，改变了采用人工寻访估算供热情况的粗放式供热方式，方便用户能够及时准确地了解供热状况并对水暖设备做出调整，从而实现节能减排的目的。

2.无线监测系统设计

不同于一些文献采用有线监测系统，本文的无线监测系统由温度采集传感器节点和一个上位机组成，如图1所示。在设计开发中，又可以具体分成4个模块：

（1）温度采集模块：采用DSl8820芯片，该芯片在内部集成了温度传感器和模数转换器，处于待机状态的电流小于1mA，非常适合用于有低功耗要求的场合。测量范围为-55℃-+125℃，在10℃-+85℃时精度为±0.5℃，适合水温和室温的测量。

（2）无线通信模块：采用基于zigBee通信协议的XBee芯片。该芯片是一款2.4 G的无线模块，通过串口与单片机等设备间进行通信，能够非常快速地实现将设备接入到ZigBee网络。支持点对点通信以及点对多点网络。

（3）单片机处理模块：主要包括上位机的单片机处理器和传感器节点的单片机处理器，采用低功耗、高性能的STC89C52作为处理器。

（4）人机交互模块：主要包括上位机的LCD显示器和按键。系统中采用LCDl602液晶显示，并在按键中设计了开关键。

在实际工作中由温度采集传感器节点采集出水温度，并由传感器节点的单片机对数据进行处理，然后通过无线通信模块传输到上位机。经过上位机单片机处理后，对接收到的数据进行还原与预测处理，最后通过人机交互模块显示和控制。同时上位机上的温度传感器采集室温，并显示给用户。

3.数据传输方案设计

由于溫度采集传感器节点处于较为隐蔽的水暖设备出水位置，因此所带电池需要减少更换周期。而能耗最大的就是无线通信模块，因此在数据传输方案中要求无线通信模块大部分时间处于休眠状态，同时能够及时满足用户获取数据的需要。为保证上述要求，针对XBee芯片的休眠机制设计了分时式和触发式结合的数据传输方案，如图2所示。

不同于以往工作直接传输温度原始数据或者作简单的数据处理，本系统依据数据统计数值进行建模，并只传输模型的参数。由于水暖设备在绝大多数的时候都是处于保温状态，因此出水温度在一般情况下变化不大。用户在这种情况下，并不是很关心出水温度的实时性，可以采用分时式的方法每隔10分钟发送一次数据。而当水暖设备进行加热的时候，此时出水温度变化迅速，用户需要及时获取温度数据，并能够预测出加热到预订温度的时间。在这种触发情况下，可以根据线性预测模型将温度变化的斜率值发送给上位机，并由上位机显示温度和预测时间。

温度的均值和斜率的估计，是通过数据进行统计获得的。由于采集端的存储空间有限且数据是连续获得的，因此采用顺序估计方法来处理数据。假设第n次获取的温度值为xn，则此时温度均值un只是由上一次估计的温度均值un-1与xn来计算：

通过这样的方式，将不必存储大量的数据，且每次获取新的数据可以更新出新的均值。同样的，斜率的估计也是可以用顺序估计方法来获取：

其中△f为采样的时间间隔，可以设置为1 s。第n次更新平均斜率kn可以由最近一次的斜率和上一次获取平均斜率kn-1所决定。

4.实验结果与分析

为方便实验数据对比，在温度采集节点也加了一个LCD显示。节点与上位机之间的距离，在无明显障碍物的情况下，可以达到80 m实时通信距离。在有墙壁阻挡情况下，信号可以穿透楼板或者承重墙一层，整个系统硬件如图3所示。

实验所测的实际温度是水暖设备出水位置外表面金属壁的温度。当水沸腾时所采集的温度一般在75℃-80℃之间，所以在实际中将预设出水温度设置为70℃。在触发情况下，上位机根据斜率预测达到70℃所需时间，并在液晶屏上显示。

由于水暖设备中的水质量恒定，因此整个加热过程可以视作线性过程，如图4所示。所获取原始数据（图4中的黑点），采用最小二乘法拟合（图4中的蓝色直线），可以视作线性模型。

在实验前期，通过一次性传输线性模型所需参数（前20 s的斜率和温度初值）来进行预测。如图4（a）所示，在开始的时候预测值（实验数据，绿色圆圈）与原始值相差较小，图中两条曲线贴合得较好；而到了中后期，预测值与原始值开始累积出一定的温度误差，图4（a）中两条曲线渐渐出现差距。这种情况是由于在预测斜率时实验计算有累积的舍入误差。温度传感器本身有温度精度误差，这种微小的差异会在时间的累积下逐步加大。因此隔50 s进行斜率校正，以便动态地调整温度模型，并根据调整参数进行显示预测。如图4（b）所示，这种定时更新的方法，可以使得预测值与原始数据保持一致。

通过分时式与触发式结合的通信方式，可以将ZigBee通信的数据量大大降低。温度传感器DSl8820大约每0.75 s采集实时温度值2个字节，如果每次都传输则每天的通信量会达到230 kB。而采用分时式（每隔10分钟传输1次）和触发式（只传输斜率和温度初值）结合的传输方式，可以使得每天通信量只有0.4 kB左右。这大大降低了温度采集端的耗电量。

5.结语

水暖设备的温度监测系统采用了ZigBee无线通信的方式获取出水温度，大大简化了安装过程。同时，分时式与触发式结合的传输模式采用传输统计数值的方法来代替原始数据的传输，这一点大大降低了通信量，延长了设备电池的使用周期，同时还能够让上位机预测水暖设备加热时间。