基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：2014年3月23日

基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課題的背景及意義（一）、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)中國地幅遼闊，擁有960萬平方公里的土地面積，南北方的溫度相差很大，北方尤其是東北地區(qū)冬季異常寒冷，所以在東北地區(qū)得冬天實(shí)行集中供暖就顯得尤為必要。但是，隨著近年來極端天氣的頻繁，很多南方城市，冬季日平均最低氣溫低于6℃的天數(shù)都在90天左右，甚至超過了100天。所以多地的人大代表、政協(xié)委員亦頻頻提出要求供暖線南移的議案、提案。當(dāng)初的供暖體系顯然已經(jīng)無法滿足當(dāng)下人的生活需求。到時(shí)中國的大多數(shù)地區(qū)都將實(shí)現(xiàn)集中供暖。對(duì)于供暖的監(jiān)控顯得越來越重要[1]。不同的供熱方式必然會(huì)有不同的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，更有不同的收費(fèi)方式。北方大部分地區(qū)都以供熱面積計(jì)算，一般住房面積多大就要交多少采暖費(fèi)，集中供熱多采用這種計(jì)價(jià)方式。還有一種是你用了多少熱量交多少錢，多用于獨(dú)立供熱。由于按面積收費(fèi)簡單明了，操作簡單，不用抄表，大多數(shù)供暖地區(qū)都采用這種計(jì)價(jià)方式[2]。既然如此，就要去論證計(jì)價(jià)方式的可行性：按建筑面積計(jì)價(jià)很簡單，只需測(cè)量建筑面積，再乘以居民供熱價(jià)格。按用熱量計(jì)收，就要計(jì)算所用的熱量，根據(jù)熱量的計(jì)算公式Q=cmΔt（c為水的比熱容，為4.2×103焦耳/千克攝氏度，m為水的質(zhì)量，Δt為暖氣進(jìn)出口的溫度差值）可輕松計(jì)算出所用熱量，再乘以價(jià)格就可得出采暖費(fèi)用。測(cè)熱量只需要兩個(gè)溫度傳感器和一個(gè)流量計(jì)再通過一定的計(jì)算即可。但是收費(fèi)時(shí)，需要抄表員挨家挨戶去抄表，人工成本過高，可行性不大。有沒有一種方法測(cè)量了流量和溫度差之后進(jìn)行計(jì)算之后直接把采暖費(fèi)發(fā)送到供暖公司的節(jié)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)無人化計(jì)費(fèi)，若供暖公司的服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)，那么用戶可以直接在家中網(wǎng)上繳費(fèi)，既節(jié)省了抄表員的勞累為采暖公司節(jié)省成本外，又大大方便了用戶。要實(shí)現(xiàn)以上設(shè)想，必須滿足很多條件：最好是無線傳播、節(jié)點(diǎn)之間互不干擾、系統(tǒng)容納節(jié)點(diǎn)量要足夠多（高容量）、低功耗、低成本、安全等?；贗EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議Zigbee可滿足此要求，這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)數(shù)率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以潛入各種設(shè)備。簡而言之，Zigbee就是一種便宜的低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)[3]。由于Zigbee天生具有很多優(yōu)勢(shì)，所以基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以節(jié)省很多人力物力，節(jié)省社會(huì)資源，將各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，更加便于供暖的管理，必將成為將來發(fā)展的一大趨勢(shì)。（二）、課題研究的目的、意義及設(shè)想 城市供暖關(guān)乎城市市民的民生，更是市民高質(zhì)量生活品質(zhì)的保證，所以保障供暖的穩(wěn)定、安全、高效是保障民生的一項(xiàng)重要舉措。隨著南方供暖的議案逐漸被提上日程，相信不久的將來我國南方的部分地區(qū)也會(huì)用上暖氣[4]，建立一個(gè)比現(xiàn)在供暖、計(jì)價(jià)機(jī)制更為完善的機(jī)制就顯得尤為重要，所以基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)在以后發(fā)揮重要作用?；赯igbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很多優(yōu)點(diǎn)，自動(dòng)運(yùn)行，控制簡單靈活，更具人性化、智能化。應(yīng)用于供暖體系可以為社會(huì)節(jié)省更多的資源和改善民生，方便居民生活！ 這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要設(shè)置很多的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)用戶家中的供暖系統(tǒng)上需安裝一個(gè)Zigbee模塊兒節(jié)點(diǎn)，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)安裝一個(gè)總結(jié)點(diǎn)，然后把總結(jié)點(diǎn)接入供暖公司的服務(wù)器，如果再接入互聯(lián)網(wǎng)，那么用戶就可以足不出戶查看自家的供暖數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上繳費(fèi)，大大方便了居民，此舉有很大的社會(huì)意義！二、課題研究的主要任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)（一）、主要任務(wù)和要求本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)遠(yuǎn)程供熱用戶的監(jiān)控是以Zigbee為核心，配備相應(yīng)的外圍電路和功能軟件，由于Zigbee芯片cc2530以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，而且內(nèi)部集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和其他強(qiáng)大的功能[5]，所以只需將溫度傳感器和流量計(jì)接入Zigbee模塊并下載相應(yīng)程序即可，然后Zigbee模塊將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)上傳。最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)。了解Zigbee和遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。了解并使用Zigbee模塊。完成相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)。提交整個(gè)系統(tǒng)軟硬件原理設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[6]，直觀地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)電路功能。（二）、預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和達(dá)到的水平可以在較小范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)兩個(gè)Zigbee模塊之間的無線通信可以將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到電腦并顯示。三、設(shè)計(jì)方案（一）方案論證主控電路（1）藍(lán)牙：Bluetooth技術(shù)是一項(xiàng)即時(shí)技術(shù)，支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙技術(shù)采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)數(shù)率為1Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙傳輸在傳輸范圍內(nèi)不受位置和移動(dòng)的影響[7]。（2）紅外：紅外通信是傳統(tǒng)的線纜通信方式的替代，被用來進(jìn)行設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。目前作為一種廣泛應(yīng)用的無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)支持。它具有小角度、短距離、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。但是其在通信的時(shí)候必須將兩個(gè)紅外接口對(duì)齊，且中間不能有障礙物阻擋[8]。（3）Zigbee：基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議Zigbee是一種低速短距離低功耗傳輸?shù)臒o線網(wǎng)協(xié)議。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)數(shù)率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以潛入各種設(shè)備。簡而言之，Zigbee就是一種便宜的低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)[9]。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無線擴(kuò)展。Zigbee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上可搭載最多65000個(gè)無線數(shù)傳模塊，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展?，F(xiàn)在Zigbee技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)很成熟，為應(yīng)用方便Zigbee芯片內(nèi)部集成了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，如cc2530。再加上其它外圍電路可制成Zigbee模塊，只需要再接上傳感器等器件就能直接工作。本次設(shè)計(jì)采用淘寶購買模塊，只需在外部接上兩個(gè)溫度傳感器DS18B20和一個(gè)流量計(jì)即可，計(jì)算后通過串口發(fā)送至電腦端顯示。以上三種無線通信方式都是時(shí)下很流行的，但是在本次設(shè)計(jì)上，紅外通信由于傳輸距離短和必須直線傳輸?shù)牧觿?shì)不適合。藍(lán)牙技術(shù)盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷，對(duì)工業(yè)、家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)太復(fù)雜、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小，在遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用Zigbee更具有優(yōu)勢(shì)。顯示界面（1）采用點(diǎn)陣LED1602/12864屏顯示，LED點(diǎn)陣屏不僅能顯示各種符號(hào)，而且可以對(duì)更復(fù)雜的文字進(jìn)行顯示，但是在連線上較為復(fù)雜，并且在編程的過程中較為困難。（2）采用七段數(shù)碼管顯示，當(dāng)Zigbee模塊與數(shù)碼管相連時(shí)，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)的顯示，并且編程過程較第一種相對(duì)簡單。（3）用電腦串口顯示，這種方法不需要外接硬件電路，非常節(jié)省成本，而且在實(shí)際應(yīng)用中沒必要外接顯示器，只需要編程。綜合以上三種方式，用電腦串口簡單方便、不需要外接接口和電路、節(jié)省成本，所以我選擇第三種顯示方式。3、溫度傳感器溫度傳感器有三種類型，電流輸出型、電壓輸出型、數(shù)字輸出型。（1）電流輸出型：此類傳感器把檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),而且在一定范圍內(nèi)輸出電流的大小與被測(cè)物體的絕對(duì)溫度成正比。典型產(chǎn)品有AD590，AD590是AD公司利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。（熱敏器件）溫度每增加1℃,它會(huì)增加1μA輸出電流?？闪繙y(cè)范圍-55℃至150℃。供應(yīng)電壓范圍+4V至30V。（2）電壓輸出型：將監(jiān)測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓線號(hào)輸出，一定范圍內(nèi)成線性，電壓輸出大小與絕對(duì)溫度成正比。典型產(chǎn)品LM35。靈敏度為10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃(-55℃至+150℃溫度范圍內(nèi)),重復(fù)性好，低輸出阻抗，線性輸出和內(nèi)部精密校準(zhǔn)使其與讀出或控制電路接口簡單和方便，可單電源和正負(fù)電源工作。（3）數(shù)字輸出型：將測(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。典型產(chǎn)品DS18B20。DS18B20小巧，而且具有很多其他優(yōu)點(diǎn)。①獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

②在使用中不需要任何外圍元件。

③可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~+5.5V。④測(cè)溫范圍：-55~+125℃。固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。⑤通過編程可實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。⑥用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。

⑦支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。

基于以上比較，如果使用電壓或電流輸出型的溫度傳感器，傳感器后面必須得再外接一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器，而且不支持多點(diǎn)組網(wǎng)，本次要用兩個(gè)溫度傳感器，DS18B20絕對(duì)是不二之選。（二）、設(shè)計(jì)思想基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為兩大部分：硬件電路設(shè)計(jì)和軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。硬件電路由兩個(gè)Zigbee模塊、傳感器電路、電腦顯示、電源電路和等部分構(gòu)成[10-11-12]，如圖1所示。DS18B203#1DS18B203#1流量計(jì)DS18B20#2Zigbee模塊#1Zigbee模塊#2電腦無線通信USB電源圖1.硬件電路總體框圖電源部分：由于兩個(gè)Zigbee模塊一個(gè)連接電腦，就用USB供電。另外一個(gè)需離另外一個(gè)模塊有一定距離，所以單獨(dú)供電，背部帶有電池盒，就用4節(jié)7號(hào)電池供電。兩個(gè)Zigbee模塊都采用集成模塊。各部分完成的主要功能：主控電路#1主要完成的功能：接受從機(jī)發(fā)出的信號(hào)，并將信號(hào)通過USB線發(fā)送到電腦端顯示。主控電路#1主要完成的功能：接收3個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)，計(jì)算之后將信號(hào)通過無線發(fā)送給主機(jī)。傳感器電路的主要功能：將非電量轉(zhuǎn)換成電量并傳輸給從機(jī)電路。電源電路主要功能：為基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)提供能量。軟件部分利用C語言編譯完成[13-14]?；赯igbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖很簡單，系統(tǒng)開啟之后先清零進(jìn)行初始化，接著就開始測(cè)量數(shù)據(jù)，處理后將數(shù)據(jù)從從機(jī)經(jīng)無線發(fā)送到主機(jī)上并經(jīng)串口在電腦上顯示。如圖2所示。開始開始初始化，設(shè)定初值初始化，設(shè)定初值傳感器工作傳感器工作Zigbee從機(jī)模塊接收信號(hào)計(jì)算后通過無線傳送給主機(jī)Zigbee從機(jī)模塊接收信號(hào)計(jì)算后通過無線傳送給主機(jī)主機(jī)接收信號(hào)并通過USB傳送至電腦主機(jī)接收信號(hào)并通過USB傳送至電腦電腦電腦顯示示值圖2.軟件設(shè)計(jì)流程圖四、預(yù)期成果形式制作Zigbee通信模塊，經(jīng)過設(shè)計(jì)與調(diào)試，保證軟硬件可靠性，排除制作工藝上可能會(huì)出現(xiàn)的問題[15]，預(yù)期可以得到設(shè)計(jì)要求的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的無線通信。通過對(duì)Zigbee知識(shí)的學(xué)習(xí)，以及對(duì)供暖知識(shí)的了解，實(shí)際制作中盡量與現(xiàn)實(shí)相符，做到真正實(shí)現(xiàn)基于Zigbee的遠(yuǎn)程供熱用戶監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無論從軟件還是硬件上都切實(shí)可行。五、畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及進(jìn)度安排第一周：了解題目內(nèi)容，查閱資料第二周：查閱資料，翻譯外文文獻(xiàn)第三周：文獻(xiàn)綜述第四周：寫開題報(bào)告第五周：論證硬件方案可行性第六周：主要功能電路設(shè)計(jì)第七周：電路原理分析參數(shù)計(jì)算第八周：PCB板及實(shí)物電路板制作第九周：編程語言及軟件的使用第十周：主要功能軟件編程第十一周：軟件總體編程試驗(yàn)第十二周：下載程序調(diào)試第十三周：修改細(xì)化設(shè)計(jì)第十四周：校驗(yàn)程序第十五周：進(jìn)行整體系統(tǒng)的連接與檢驗(yàn)第十六周：撰寫論文框架第十七周：撰寫詳細(xì)論文第十八周：準(zhǔn)備答辯參考文獻(xiàn)：張錫虎.住宅供暖方式的發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]．暖通空調(diào),2008(4)：325-343.楊偉紅.城市供暖用戶熱量計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)研究：[學(xué)位論文].沈陽：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2004董亞超.基于Zigbee技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)：[學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué)，2008郭永東.暖氣[J].山西文學(xué)，2014,2（2）,126-135江修波.Zigbee技術(shù)及其應(yīng)用：[J].低壓電器，2005,7,056-073車新生.電子線路CAD[M].沈陽工業(yè)大學(xué)出版社,2012,3.魏曉艷，李軍.紅外通訊技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)比較[J].電子元器件應(yīng)用，2007,4,135-148魏曉艷，李軍.紅外通訊技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)比較[J].電子元器件應(yīng)用，2007,4,13