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

摘要：針對目前熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的問題，設(shè)計(jì)了一款基于C8051F310和Si4432通用無線收發(fā)模塊的無線熱網(wǎng)系統(tǒng)，并對其硬件和軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了說明。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有較遠(yuǎn)的通信距離和較強(qiáng)的穿墻能力，并且通信誤碼率較低。
關(guān)鍵詞：Si4432模塊；無線；熱網(wǎng)系統(tǒng)

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(jì)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(jì)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(shí)時(shí)回讀和控制，不能充分體現(xiàn)熱網(wǎng)的計(jì)費(fèi)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(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)時(shí)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(jìn)行溫度、壓力、控制閥的開啟時(shí)間等數(shù)據(jù)的傳輸與交互，從而解決熱能計(jì)量不透明的問題，為最終實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控計(jì)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(gè)頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時(shí)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(shí)所需的外部元件很少，僅需要1個(gè)30 MHz的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡單，且成本低。
    Si4432的接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴(kuò)大傳輸范圍的同時(shí)將功耗降至最低；最小濾波帶寬達(dá)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(shí)的最大輸出功率就可達(dá)+20 dBm，設(shè)計(jì)良好時(shí)收發(fā)距離最遠(yuǎn)可達(dá)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(jī)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。

2 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)功能
    系統(tǒng)可對熱網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、測量、記錄熱網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行參數(shù)(溫度、壓力等參數(shù))的超限報(bào)警；完成日常的管理工作，包括報(bào)表的生成和打印、熱網(wǎng)計(jì)量管理、對控制器的控制、參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、運(yùn)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(jìn)行自動(dòng)控制，使整個(gè)系統(tǒng)供熱均勻，滿足舒適性要求。同時(shí)減少熱量消耗，達(dá)到節(jié)能的目的，為最終實(shí)現(xiàn)“熱”的商品化和市場化提供前提條件。
2．2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    整個(gè)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?fù)浣Y(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(jī)為核心的網(wǎng)絡(luò)組成，工業(yè)控制機(jī)全天候運(yùn)行。工業(yè)控制機(jī)既是調(diào)度中心的服務(wù)器，同時(shí)相對于各采集控制站點(diǎn)來說，又是客戶機(jī)。服務(wù)器通過寬帶實(shí)時(shí)采集、存儲來自各客戶機(jī)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對各站點(diǎn)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？蛻魴C(jī)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(gè)控制器的參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)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(jìn)行通信，隨時(shí)采集現(xiàn)場儀表層的溫度、壓力、控制閥的狀態(tài)和開啟時(shí)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(gè)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?，由2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(shí)間等參數(shù)上傳到集中器，同時(shí)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(jìn)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(jìn)行預(yù)設(shè)，通過Si4432芯片將參數(shù)送到控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)溫度的控制。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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(jī)、無線抄表、車輛防盜等。G20通過UART與控制處理芯片進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號在控制器和上位機(jī)之間進(jìn)行雙向傳遞?？刂破髦惺怯蒘i4432芯片通過SPI與單片機(jī)C8051F310通信，將數(shù)據(jù)信息與控制信號和控制層之間進(jìn)行雙向的傳遞；同時(shí)通過另一路Si4432和遙控器之間進(jìn)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(jì)模塊化，減少工作量，針對Si4432設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，17腳(nIRQ)是中斷狀態(tài)輸出引腳。當(dāng)FIFO溢出、有效的數(shù)據(jù)包發(fā)送或接收、CRC錯(cuò)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(shí)，17腳都會產(chǎn)生一個(gè)低電平以通知單片機(jī)有中斷產(chǎn)生。20腳(SDN)決定了Si4432芯片的工作狀態(tài)。當(dāng)SDN接地(SDN=0)時(shí)，芯片處于常規(guī)工作模式；接高電平(SDN=1)時(shí)，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(jī)可以通過內(nèi)置SPI對Si4432的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，靈活配置各項(xiàng)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(jī)到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；MISO用于從Si4432到單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)傳輸；SCK用于同步單片機(jī)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(shí)，對Si44 32的操作才有效。
    為了達(dá)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(yán)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(shí)現(xiàn)分集式天線發(fā)送和接收通道的自動(dòng)切換。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件編程采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)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(fù)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(yàn)字節(jié)，形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去；無線接收程序負(fù)責(zé)接收并檢驗(yàn)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(rèn)狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求重新進(jìn)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(shí)，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(shí)鐘極性為低電平，在時(shí)鐘上升沿時(shí)對數(shù)據(jù)采樣；通過配置SPI1CKR寄存器，可將同步時(shí)鐘頻率設(shè)為晶振頻率的1／4。
    上電之初，Si4432也處于默認(rèn)狀態(tài)，需要進(jìn)行配置才能工作。Si4432有70多個(gè)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(gè)重要的部分，配置的恰當(dāng)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(biāo)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(biāo)志，將其他中斷都禁止。當(dāng)有數(shù)據(jù)包發(fā)送完時(shí)，引腳nIRQ會被拉低以產(chǎn)生一個(gè)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(dāng)nIRQ引腳變?yōu)榈蜁r(shí)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(jìn)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(zhǔn)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(biāo)志碼，接收模塊通過檢測這個(gè)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(biāo)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(zhǔn)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(jìn)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(yàn)證本無線射頻收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，進(jìn)行了7組“發(fā)射模塊-接收模塊”通信實(shí)驗(yàn)。在空曠地通信距離約為1 600 m時(shí)，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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)包，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

    從表1中可以看出，在傳輸速率較低時(shí)，誤碼率為0；在傳輸速率為100 kbps(或以上)時(shí)，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(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、通信誤碼率低的特點(diǎn)。

結(jié)語
    采用Si4432這種短距離無線通信芯片，完全可以擴(kuò)充為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成一個(gè)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(jìn)行溫度采集和控制；本文所設(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng)通信技術(shù)將在工控系統(tǒng)中有廣闊的發(fā)展空間。