基于Si4432的無線熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

目前，城市住宅供熱的熱能早已商品化，往往諸多的熱量之差問題，是供熱企業(yè)與居民矛盾的導(dǎo)火線。熱能計量成為供熱企業(yè)新的需求。根據(jù)目前住宅狀況，無線控制系統(tǒng)在熱網(wǎng)計量中具有施工方便，節(jié)省資源的優(yōu)勢。但是由于以往熱網(wǎng)采用的無線通信模塊的發(fā)射距離近，穿透性差，造成數(shù)據(jù)不能實時回讀和控制，不能充分體現(xiàn)熱網(wǎng)的計費充分透明。Si4432是Silicon Labs公司推出的新一代無線通信芯片，它具有發(fā)射距離遠、穿透能力強、功耗低等優(yōu)點，完全可以應(yīng)用到本系統(tǒng)中。通過Si4432的應(yīng)用，熱網(wǎng)數(shù)據(jù)能夠可靠、實時地傳輸，通過GPRS無線通信模塊和Si4432無線傳輸模塊對熱網(wǎng)的控制，進行溫度、壓力、控制閥的開啟時間等數(shù)據(jù)的傳輸與交互，從而解決熱能計量不透明的問題，為最終實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控計量和熱網(wǎng)的參數(shù)采集提供前提條件。

1 關(guān)于Si4432芯片

Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9~3.6 V，20引腳QFN封裝（4 mm×4 mm），可工作在315/433/868/915 MHz四個頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO以及可配置的GPIO等。

Si4432芯片在使用時所需的外部元件很少，僅需要1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，且成本低。

Si4432的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極佳的頻道選擇性；在240~960MHz頻段內(nèi)，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20 dBm，設(shè)計良好時收發(fā)距離最遠可達2km.

Si4432做成無線通信模塊應(yīng)用廣泛，可適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線遙控系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡(luò)、小型無線數(shù)據(jù)終端、無線抄表、門禁系統(tǒng)、無線遙感監(jiān)測、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線RS485/RS232數(shù)據(jù)通信等諸多領(lǐng)域。

Si4432芯片引腳圖如圖1所示。

圖1 Si4432芯片引腳圖

2 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的運行實時監(jiān)視、測量、記錄熱網(wǎng)運行參數(shù)并進行參數(shù)（溫度、壓力等參數(shù)）的超限報警；完成日常的管理工作，包括報表的生成和打印、熱網(wǎng)計量管理、對控制器的控制、參數(shù)設(shè)定、遠程數(shù)據(jù)采集、運行數(shù)據(jù)的匯總、綜合分析以及歷史數(shù)據(jù)的備份等功能。通過對熱網(wǎng)進行自動控制，使整個系統(tǒng)供熱均勻，滿足舒適性要求。同時減少熱量消耗，達到節(jié)能的目的，為最終實現(xiàn)“熱”的商品化和市場化提供前提條件。

2.2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)總體上可以分為3層：管理層、中繼層和現(xiàn)場儀表層?，F(xiàn)場儀表層又可以分為控制器和遙控器。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2.1 管理層

管理層是位于熱力公司的主站，由以工業(yè)控制機為核心的網(wǎng)絡(luò)組成，工業(yè)控制機全天候運行。工業(yè)控制機既是調(diào)度中心的服務(wù)器，同時相對于各采集控制站點來說，又是客戶機。服務(wù)器通過寬帶實時采集、存儲來自各客戶機站點的數(shù)據(jù)，并對各站點運行情況進行實時監(jiān)控?？蛻魴C通過GPRS通信模塊和中繼層的集中器通信，采集集中器下的各個控制器的參數(shù)，進行實時采集和監(jiān)控。

2.2.2 中繼層

中繼層位于用戶樓宇的公共位置，主要是集中器。它的通信部分由GPRS模塊和Si4432芯片組成。它和管理層采用GPRS模塊通信，在現(xiàn)場儀表層采集溫度、壓力、控制閥的狀態(tài)和開啟時間等數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給管理層；集中器和現(xiàn)場儀表層采用Si4432無線收發(fā)芯片進行通信，隨時采集現(xiàn)場儀表層的溫度、壓力、控制閥的狀態(tài)和開啟時間等數(shù)據(jù)，并且發(fā)送相關(guān)命令。

2.2.3 現(xiàn)場儀表層

現(xiàn)場儀表層位于各個熱用戶的住宅內(nèi)和管道井里，主要由控制器和遙控器組成?？刂破鞣旁诠艿谰铮?套Si4432無線收發(fā)芯片組成。它分別和集中器和遙控器通信，將熱網(wǎng)的溫度、壓力、控制閥的開關(guān)時間等參數(shù)上傳到集中器，同時接收集中器的命令；另一模塊完成與遙控器的通信，采集遙控器測定的室溫和設(shè)定的控制溫度，對控制閥進行控制，從而控制室溫。遙控器放在室內(nèi)，可以采集室內(nèi)的溫度，并由用戶對室內(nèi)的溫度進行預(yù)設(shè)，通過Si4432芯片將參數(shù)送到控制器內(nèi)，實現(xiàn)溫度的控制。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由中繼層與現(xiàn)場儀表層兩部分組成?，F(xiàn)場儀表層又分為控制器和遙控器。

中繼層主要由GPRS模塊和Si4432芯片組成。GPRS模塊選用Motorola公司的模塊G20.G20是該公司推出的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GSM/GPRS模塊，性能優(yōu)越，體積小巧，而且解決了GSM/GPRS模塊無線通信和數(shù)據(jù)傳輸終端的協(xié)議瓶頸和成本問題。該模塊廣泛應(yīng)用于短信中心、GPRS監(jiān)控系統(tǒng)、無線POS機、無線抄表、車輛防盜等。G20通過UART與控制處理芯片進行通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號在控制器和上位機之間進行雙向傳遞?？刂破髦惺怯蒘i4432芯片通過SPI與單片機C8051F310通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號和控制層之間進行雙向的傳遞；同時通過另一路Si4432和遙控器之間進行數(shù)據(jù)交換。

無論集中器和控制器，還是控制器和遙控器的通信均是通過Si4432無線收發(fā)芯片來完成。所以為了將設(shè)計模塊化，減少工作量，針對Si4432設(shè)計了無線通信模塊。Si4432無線收發(fā)模塊如圖3所示。

Si4432的13~16腳是標準的SPI接口，17腳（nIRQ）是中斷狀態(tài)輸出引腳。當FIFO溢出、有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯誤、檢測到前導(dǎo)位和同步字、上電復(fù)位等情況發(fā)生，且相應(yīng)的中斷被使能時，17腳都會產(chǎn)生一個低電平以通知單片機有中斷產(chǎn)生。20腳（SDN）決定了Si4432芯片的工作狀態(tài)。當SDN接地（SDN=0）時，芯片處于常規(guī)工作模式；接高電平（SDN=1）時，芯片處于掉電模式。掉電模式下寄存器中的內(nèi)容會丟失，且不允許SPI訪問，但芯片的電流損耗只有10 nA，功耗很低，因此適合要求極低功耗的應(yīng)用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復(fù)位，根據(jù)指令轉(zhuǎn)換到其他工作模式。

單片機可以通過內(nèi)置SPI對Si4432的內(nèi)部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數(shù)。通過SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫數(shù)據(jù)、訪問FIFO等操作。使用4線SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL.MOSI用于從單片機到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到單片機的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCK用于同步單片機和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數(shù)據(jù)傳輸；nSEL作為片選信號，只有片選信號為低電平時，對Si44 32的操作才有效。

為了達到較好的通信效果，Si4432的接收低噪聲放大器匹配電路和發(fā)射功率放大器匹配電路的阻容參數(shù)，應(yīng)嚴格按照數(shù)據(jù)手冊提供的參數(shù)選型。前端的分集式電路采用UPG2214TB，其VC1腳和VC2腳分別連接Si4432的GPIO1和GPIO2.通過這款交叉開關(guān)實現(xiàn)分集式天線發(fā)送和接收通道的自動切換。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件編程采用模塊化設(shè)計思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨立的函數(shù)由主程序調(diào)用，功能模塊包括：初始化程序（包括初始化C8051 F310、SPI、Si4432）、無線發(fā)送程序以及無線接收程序等。無線發(fā)送程序負責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷，并根據(jù)通信協(xié)議為數(shù)據(jù)載荷加上前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度及CRC校驗字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去；無線接收程序負責(zé)接收并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié)，以確保接收到的數(shù)據(jù)的正確性。

3.2.1 初始化程序

初始化程序包括C8051F310的初始化、SPI的初始化，以及Si4432的關(guān)于無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率等內(nèi)部寄存器的初始化配置。

系統(tǒng)上電后，C8051F310處于默認狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進行初始化配置。C8051F310的數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O引腳，可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)資源配置到具體的I/O引腳上。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用I/O端口和所需數(shù)字資源的組合，提高了應(yīng)用的靈活性。本系統(tǒng)中，主要配置了SPI通信的4線，液晶LCD的數(shù)據(jù)線接口、控制線接口等。

初始化SPI時，可以通過塒SPI1CFG寄存器和SPI1CN寄存器的配置來選擇具體使用規(guī)則。這里，選擇主SPI，4線模式，時鐘極性為低電平，在時鐘上升沿時對數(shù)據(jù)采樣；通過配置SPI1CKR寄存器，可將同步時鐘頻率設(shè)為晶振頻率的1/4.

上電之初，Si4432也處于默認狀態(tài)，需要進行配置才能工作。Si4432有70多個寄存器需要配置，它們決定了Si4432的丁作模式，具體配置可以參考Si4432的數(shù)據(jù)手冊。Si4432的初始化是一個重要的部分，配置的恰當與否對系統(tǒng)最終的通信效果有很大的影響。主控制器C8051 F310通過SPI配置Si4432的1ch、1dh等寄存器，寫入相應(yīng)的初始化RF控制字（主要是頻率、傳輸速度、傳輸方式等）；通過配置33h、34h等寄存器來設(shè)置包的結(jié)構(gòu)、前導(dǎo)碼長度、同步字內(nèi)容等。本系統(tǒng)采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸數(shù)據(jù)載荷。

3.2.2 無線發(fā)送程序

無線發(fā)送程序流程如圖4所示。完成C8051F310、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字。接下來，通過配置Si4432的寄存器3eh來設(shè)置包的長度，通過SPI連續(xù)寫寄存器7fh，往TX FIFO里寫入需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后打開“發(fā)送完中斷允許”標志，將其他中斷都禁止。當有數(shù)據(jù)包發(fā)送完時，引腳nIRQ會被拉低以產(chǎn)生一個低電平從而通知C8051F310數(shù)據(jù)包已發(fā)送完畢。完成中斷使能后，使能發(fā)送功能，數(shù)據(jù)開始發(fā)送。等待nIRQ引腳因中斷產(chǎn)生而使電平拉低，當nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r讀取中斷狀態(tài)并拉高nIRQ，否則繼續(xù)等待。一次數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，進入下一次數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送狀態(tài)。

　　3.2.3 無線接收程序

程序完成C8051F310、SPI接口和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應(yīng)的初始化RF控制字。通過訪問寄存器7fh從RX FIFO中讀取接收到的數(shù)據(jù)。相應(yīng)的控制字設(shè)置好之后，若引腳nIRQ變成低電平，則表示Si4432準備好接收數(shù)據(jù)。完成這些初始化配置后，通過寄存器4bh讀取包長度信息。然后，打開“有效包中斷”和“同步字檢測中斷”，將其他中斷都禁止。引腳nIRQ用來檢測是否有有效包被檢測到，若引腳nIRQ變?yōu)榈碗娖?，則表示有效的數(shù)據(jù)包被檢測到。本系統(tǒng)用0x2DD4作為同步模式的標志碼，接收模塊通過檢測這個同步字來同步接收數(shù)據(jù)。最后，使能接收功能，數(shù)據(jù)開始接收。等待nIRQ引腳因產(chǎn)生中斷而使電平拉低，讀取中斷標志位復(fù)位nIRQ引腳，使nIRQ恢復(fù)至初始的高電平狀態(tài)以準備下一次中斷觸發(fā)的檢測。通過SPI讀取RX FIFO中的數(shù)據(jù)，之后進入下一次數(shù)據(jù)接收狀態(tài)。無線接收程序流程如圖5所示。

　　4 系統(tǒng)測試與分析

為驗證本無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，進行了7組“發(fā)射模塊-接收模塊”通信實驗。在空曠地通信距離約為1 600 m時，7組“發(fā)射模塊-接收模塊”分別工作在430.50 MHz、431.50 MHz、432.50 MHz等7個中心頻率上，帶寬均取112.8 kHz，頻率偏移取±25 kHz，發(fā)送4 000個數(shù)據(jù)包，實驗結(jié)果如表1所列。

從表1中可以看出，在傳輸速率較低時，誤碼率為0;在傳輸速率為100 kbps（或以上）時，有一定的誤碼，但誤碼率不高于0.050%.因此，該無線射頻收發(fā)系統(tǒng)具有傳輸距離遠、穿透能力強、通信誤碼率低的特點。

結(jié)語

采用Si4432這種短距離無線通信芯片，完全可以擴充為一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成一個無線網(wǎng)絡(luò)，使本系統(tǒng)在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案中不需要重新布線就可以有效地進行溫度采集和控制；本文所設(shè)計的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定，具有很好的通用性和適用性，所以基于Si4432芯片的無線通信技術(shù)可以給熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集增加一種新的解決方案，但也需要對熱閥進行數(shù)字化升級。隨著無線通信的發(fā)展，Si4432芯片的短距離無線通信技術(shù)和GPRS移動通信技術(shù)將在工控系統(tǒng)中有廣闊的發(fā)展空間。