家用水暖設(shè)備溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)研究

劉玉亮　周剛　劉亞軍　石飛　呂小毅

摘要：為解決家用水暖設(shè)備溫度難以監(jiān)測的問題，文章介紹了一種溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用ZigBee通信方式，硬件部分設(shè)計出只帶電池的溫度傳感器節(jié)點和顯示功能的上位機(jī)。為了降低傳感器節(jié)點的功耗，軟件部分設(shè)計出分時式和觸發(fā)式相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方案，并且采用順序估計的方法獲取統(tǒng)計值作為模型參數(shù)來代替原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過實驗表明，這種溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)安裝簡單、工作時間長。

關(guān)鍵詞：無線監(jiān)測；ZigBee通信；傳感器節(jié)點；上位機(jī)；分時式；觸發(fā)式

1.研究背景

傳統(tǒng)的水暖設(shè)備，需要用戶自己根據(jù)自身感受估算溫度狀況，這大大增加了用戶使用時候的難度。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對水暖設(shè)備冬天供暖狀況的實時監(jiān)測。通過在出水位置安裝基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫度采集節(jié)點來測量溫度，并以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到上位機(jī)。用戶可以通過上位機(jī)查詢需要的數(shù)據(jù)，改變了采用人工尋訪估算供熱情況的粗放式供熱方式，方便用戶能夠及時準(zhǔn)確地了解供熱狀況并對水暖設(shè)備做出調(diào)整，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2.無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

不同于一些文獻(xiàn)采用有線監(jiān)測系統(tǒng)，本文的無線監(jiān)測系統(tǒng)由溫度采集傳感器節(jié)點和一個上位機(jī)組成，如圖1所示。在設(shè)計開發(fā)中，又可以具體分成4個模塊：

（1）溫度采集模塊：采用DSl8820芯片，該芯片在內(nèi)部集成了溫度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，處于待機(jī)狀態(tài)的電流小于1mA，非常適合用于有低功耗要求的場合。測量范圍為-55℃-+125℃，在10℃-+85℃時精度為±0.5℃，適合水溫和室溫的測量。

（2）無線通信模塊：采用基于zigBee通信協(xié)議的XBee芯片。該芯片是一款2.4 G的無線模塊，通過串口與單片機(jī)等設(shè)備間進(jìn)行通信，能夠非常快速地實現(xiàn)將設(shè)備接入到ZigBee網(wǎng)絡(luò)。支持點對點通信以及點對多點網(wǎng)絡(luò)。

（3）單片機(jī)處理模塊：主要包括上位機(jī)的單片機(jī)處理器和傳感器節(jié)點的單片機(jī)處理器，采用低功耗、高性能的STC89C52作為處理器。

（4）人機(jī)交互模塊：主要包括上位機(jī)的LCD顯示器和按鍵。系統(tǒng)中采用LCDl602液晶顯示，并在按鍵中設(shè)計了開關(guān)鍵。

在實際工作中由溫度采集傳感器節(jié)點采集出水溫度，并由傳感器節(jié)點的單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過無線通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。經(jīng)過上位機(jī)單片機(jī)處理后，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行還原與預(yù)測處理，最后通過人機(jī)交互模塊顯示和控制。同時上位機(jī)上的溫度傳感器采集室溫，并顯示給用戶。

3.數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計

由于溫度采集傳感器節(jié)點處于較為隱蔽的水暖設(shè)備出水位置，因此所帶電池需要減少更換周期。而能耗最大的就是無線通信模塊，因此在數(shù)據(jù)傳輸方案中要求無線通信模塊大部分時間處于休眠狀態(tài)，同時能夠及時滿足用戶獲取數(shù)據(jù)的需要。為保證上述要求，針對XBee芯片的休眠機(jī)制設(shè)計了分時式和觸發(fā)式結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方案，如圖2所示。

不同于以往工作直接傳輸溫度原始數(shù)據(jù)或者作簡單的數(shù)據(jù)處理，本系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)值進(jìn)行建模，并只傳輸模型的參數(shù)。由于水暖設(shè)備在絕大多數(shù)的時候都是處于保溫狀態(tài)，因此出水溫度在一般情況下變化不大。用戶在這種情況下，并不是很關(guān)心出水溫度的實時性，可以采用分時式的方法每隔10分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)。而當(dāng)水暖設(shè)備進(jìn)行加熱的時候，此時出水溫度變化迅速，用戶需要及時獲取溫度數(shù)據(jù)，并能夠預(yù)測出加熱到預(yù)訂溫度的時間。在這種觸發(fā)情況下，可以根據(jù)線性預(yù)測模型將溫度變化的斜率值發(fā)送給上位機(jī)，并由上位機(jī)顯示溫度和預(yù)測時間。

溫度的均值和斜率的估計，是通過數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計獲得的。由于采集端的存儲空間有限且數(shù)據(jù)是連續(xù)獲得的，因此采用順序估計方法來處理數(shù)據(jù)。假設(shè)第n次獲取的溫度值為xn，則此時溫度均值un只是由上一次估計的溫度均值un-1與xn來計算：

通過這樣的方式，將不必存儲大量的數(shù)據(jù)，且每次獲取新的數(shù)據(jù)可以更新出新的均值。同樣的，斜率的估計也是可以用順序估計方法來獲取：

其中△f為采樣的時間間隔，可以設(shè)置為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獲取平均斜率kn-1所決定。

4.實驗結(jié)果與分析

為方便實驗數(shù)據(jù)對比，在溫度采集節(jié)點也加了一個LCD顯示。節(jié)點與上位機(jī)之間的距離，在無明顯障礙物的情況下，可以達(dá)到80 m實時通信距離。在有墻壁阻擋情況下，信號可以穿透樓板或者承重墻一層，整個系統(tǒng)硬件如圖3所示。

實驗所測的實際溫度是水暖設(shè)備出水位置外表面金屬壁的溫度。當(dāng)水沸騰時所采集的溫度一般在75℃-80℃之間，所以在實際中將預(yù)設(shè)出水溫度設(shè)置為70℃。在觸發(fā)情況下，上位機(jī)根據(jù)斜率預(yù)測達(dá)到70℃所需時間，并在液晶屏上顯示。

由于水暖設(shè)備中的水質(zhì)量恒定，因此整個加熱過程可以視作線性過程，如圖4所示。所獲取原始數(shù)據(jù)（圖4中的黑點），采用最小二乘法擬合（圖4中的藍(lán)色直線），可以視作線性模型。

在實驗前期，通過一次性傳輸線性模型所需參數(shù)（前20 s的斜率和溫度初值）來進(jìn)行預(yù)測。如圖4（a）所示，在開始的時候預(yù)測值（實驗數(shù)據(jù)，綠色圓圈）與原始值相差較小，圖中兩條曲線貼合得較好；而到了中后期，預(yù)測值與原始值開始累積出一定的溫度誤差，圖4（a）中兩條曲線漸漸出現(xiàn)差距。這種情況是由于在預(yù)測斜率時實驗計算有累積的舍入誤差。溫度傳感器本身有溫度精度誤差，這種微小的差異會在時間的累積下逐步加大。因此隔50 s進(jìn)行斜率校正，以便動態(tài)地調(diào)整溫度模型，并根據(jù)調(diào)整參數(shù)進(jìn)行顯示預(yù)測。如圖4（b）所示，這種定時更新的方法，可以使得預(yù)測值與原始數(shù)據(jù)保持一致。

通過分時式與觸發(fā)式結(jié)合的通信方式，可以將ZigBee通信的數(shù)據(jù)量大大降低。溫度傳感器DSl8820大約每0.75 s采集實時溫度值2個字節(jié)，如果每次都傳輸則每天的通信量會達(dá)到230 kB。而采用分時式（每隔10分鐘傳輸1次）和觸發(fā)式（只傳輸斜率和溫度初值）結(jié)合的傳輸方式，可以使得每天通信量只有0.4 kB左右。這大大降低了溫度采集端的耗電量。

5.結(jié)語

水暖設(shè)備的溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用了ZigBee無線通信的方式獲取出水溫度，大大簡化了安裝過程。同時，分時式與觸發(fā)式結(jié)合的傳輸模式采用傳輸統(tǒng)計數(shù)值的方法來代替原始數(shù)據(jù)的傳輸，這一點大大降低了通信量，延長了設(shè)備電池的使用周期，同時還能夠讓上位機(jī)預(yù)測水暖設(shè)備加熱時間。