基于ZigBee的超声波热量表设计

杨 晓，胡永涛，张智先

(河南工学院，河南新乡 453003)

0 引言

目前供热服务主要有两种方式：城市集中供暖和分户式热计量供暖[1]。分户式流量计在抄表方式上采用有线传输和人工抄表相结合的方式，该种方式耗费大量人力物力。本文设计了一种基于ZigBee的超声波热量表，该热量表采用超声波时差法准确测量暖气管道中的流量值，利用进出水口的温度传感器测量温度差值，通过ZigBee无线传输技术实现远程抄表和数据传输，计算得到相应的费用[2-3]。

1 系统设计

系统通过热量表数据采集装置采集各个分户暖气的暖气流量、热量值损耗等参数，在单片机STM32F103内部进行处理后再通过ZigBee无线传输方式发送到每栋楼的数据监测中心[4]，数据监测中心依据设定的收费标准对各个分户进行费用计算，系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体设计框图

2 超声波时差法测量原理

对暖气流量的测量采用的是超声波时差法[5-6]，其原理是通过两个超声波换能器交替作为发射器和接收器来收发超声波信号，通过高精度计时芯片TDC-GP21来检测超声波在介质中顺流和逆流的时间差，再通过相关表达式计算出流体的流量，测量原理图如图2所示。

图2 超声波时差法测量原理图

图2中，T2为顺流超声波换能器，T1为逆流超声波换能器，L为超声波传播的长度，D为管道内径，θ为超声波传播方向与待测流体的传播方向的夹角，v为管道内介质的流速，C为超声波传播的速度。

当换能器T2发射，换能器T1接收时，超声波顺着流体流动方向传输，传输时间为

(1)

当换能器T1发射，换能器T2接收时，超声波逆着流体流动方向传输，传输时间为

(2)

则顺流逆流时间差为

(3)

由于C2远远大于v2cos2θ，所以式(3)可以转换为

(4)

因此管道内介质的流速v为

(5)

超声波传播速度C、管道内径D、超声波传播方向与待测流体的传播方向的夹角θ为已知量，只需要测得超声波在介质中顺流和逆流传播的时间差就可以计算介质的流速v，根据式(6)计算介质的流量。

(6)

式中：Q为介质的流量；S为管道截面积。

3 系统硬件设计

系统硬件由超声波换能器、铂热电阻传感器、高精度计时芯片TDC-GP21和低功耗的微处理器STM32F103组成[7]。系统利用时差法原理测量管道中介质的流量，利用铂热电阻传感器测量管道进出口的温度差值，在STM32F103内部计算处理得出介质的流量值以及热能消耗量，再通过ZigBee无线传输的方式将数据发送到数据监测中心，系统硬件框图如图3所示。

图3 系统硬件框图

3.1 介质流量测量

超声波的发射和接收利用换能器的逆压电效应和正压电效应[8-9]。逆压电效应换能器内部的压电晶片在交变电场的作用下，产生与之相应的机械振动，实现电能到声能的转换，向外发射超声波；正压电效应就是压电晶片在超声波声压的振动作用下发生形变，形成与声压同步变化的电荷，实现声能到电能的转换，接收超声波。

TDC-GP21是专用超声波流量测量转换芯片，其内置脉冲发生器，可用于驱动超声波传感器，其内部还有一个高精度计数器用于计时，电路图如图4所示。

图4 超声波驱动与接收电路

TDC-GP21的START和STOP1引脚分别控制着超声波信号的发射和接收，当START引脚控制发射超声波信号并同时启动芯片内部的计时器，当STOP1脚收到超声波信号时，计时停止，以此时间作为超声波信号顺流传播时间t2；以STOP1引脚控制发射超声波并同时启动计时器，当START引脚接收到超声波信号时停止计时，以此时间作为超声波信号逆流传播时间t1。通过SPI总线传输方式将顺流和逆流的时间差发送给STM32F103，结合式(6)计算得到介质的流量。

3.2 管道进出口温度采集

TDC-GP21除了可用于控制超声波的发射和接收外，还可以用于检测铂热电阻Pt1000的温度[10]。TDC-GP21内置温度检测单元，PT1、PT2、PT3、PT4为4个温度传感器接口，实际测试时利用这4个接口组成惠斯登电桥，通过检测电容C15的充放电时间，芯片会自动换算成测得的温度差值，电路图如图5所示。

图5 进出水口温度测量电路

其中PT1接的精密电阻R41置于进水管中，PT2接的铂热电阻传感器Pt1000置于进水口；PT4接的精密电阻R42置于出水管中，PT3接的铂热电阻传感器Pt1000置于出水口，引脚LOAD和Sense用于检测充放电的完成时间，系统会自动根据充放电时间计算进出水口的温度值，通过SPI总线传输方式发送到STM32F103中。

3.3 ZigBee传输电路

系统在数据传输上选用ZigBee无线传输芯片CC2430，其内部集成了一个低功耗的8051微控制器[11]，发射电流低于25 mA，具有32K FLASH，8K SRAM，只需要极小的外围器件就可以实现组网的要求。ZigBee无线传输电路如图6所示。

图6 ZigBee传输电路

为了得到较强的组网效果，系统选用外置棒状天线，CC2430在传输上选用SPI总线传输方式，STM32F103将处理过后的介质流量、热能损耗等参数发送到CC2430中，再由 CC2430把各个分户的数据打包统一发送到每栋楼的数据监测中心。

4 超声波热量表软件设计

基于ZigBee的超声波热量表程序包括STM32F103最小系统程序、超声波发射和接收驱动程序、管道进出水口温度差值计算程序以及ZigBee无线传输程序。系统启动后，先执行TDC-GP21芯片的初始化，然后发送控制器信号给TDC-GP21，TDC-GP21根据接收到的控制信号执行超声波发射的和接收，并将超声波顺流流动和逆流流动的时间差返回给STM32F103。与此同时，TDC-GP21的4个温度传感器接口利用电桥平衡和电容充放电原理检测管道进出水口的温度差值，根据以上采集的参数计算得到各个分户的热量值，通过ZigBee传输方式将所有数据发送到数据监测中心，软件流程图如图7所示。

5 实验数据分析

5.1 ZigBee无线传输测试

为了确保系统传输的稳定性，对系统做如下测试。将热量表数据采集装置与数据监测中心分开放置，两者之间的距离分别为200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m、800 m，通过软件编程让热量表数据采集装置每隔2 min固定向数据监测中心发送200 Byte数据，在数据监测中心查看接收到的数据的完整性。测试数据如表1所示。

表1 ZigBee无线传输性能测试

由表1可知，系统在700 m内传输时，丢包率和错误率均为0；当传输距离达到800 m时，开始出现错误率，且错误率为3%。由于系统传输时是在一栋楼内进行组网传输，传输距离远远小于700 m，因此可见系统传输稳定、可靠，符合系统要求。

5.2 热量表精确性测试

测试时采用管径为DN25的管道，在管道上安装超声波换能器，通过恒温槽将管道内的水温控制在50 ℃，将铂热电阻传感器Pt1000安装到管道的回水口处，由于管道内的水温恒定，因此本实验只采集管道的出水口温度。在采集温度时，每隔5 min采集一次，一次采集3组数据，以平均值作为本次的测量结果。在采集流量时，每30 min记录一次，仪表显示累计流量值。系统对水温和流量的测量数据如表2、表3所示。

表2 水温测量数据

表3 流量测量数据

由表2数据可知，系统对水温测量相对误差小于0.1%；由表3数据可知，系统对流量测量的相对误差小于2%，达到设计预期。

6 结束语

设计的高精度超声波热量表，采用专用的超声波流量检测芯片TDC-GP21来检测超声波顺流、逆流传播的时间差和管道进出口处流体的温度差，以此来计算出热能损耗值。在数据传输上，选用ZigBee无线组网传输，在数据监测中心显示各个分户的热量值，以此作为收费的依据。测试结果表明，系统传输可靠，700 m内不丢包；水温的测量相对误差小于0.1%；流量的测量相对误差小于2%。