系统软件设计 - 无线热网监测系统设计方案的实现

引言

　　目前，城市住宅供热的热能早已商品化，往往诸多的热量之差问题，是供热企业与居民矛盾的导火线。热能计量成为供热企业新的需求。根据目前住宅状况，无线控制系统在热网计量中具有施工方便，节省资源的优势。但是由于以往热网采用的无线通信模块的发射距离近，穿透性差，造成数据不能实时回读和控制，不能充分体现热网的计费充分透明。Si4432是Silicon Labs公司推出的新一代无线通信芯片，它具有发射距离远、穿透能力强、功耗低等优点，完全可以应用到本系统中。通过Si4432的应用，热网数据能够可靠、实时地传输，通过GPRS无线通信模块和Si4432无线传输模块对热网的控制，进行温度、压力、控制阀的开启时间等数据的传输与交互，从而解决热能计量不透明的问题，为最终实现温度的实时监控计量和热网的参数采集提供前提条件。

　　1 关于Si4432芯片

　　Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多频段的EZRadioPRO系列无线收发芯片。其工作电压为1.9~3.6 V，20引脚QFN封装（4 mm×4 mm），可工作在315/433/868/915 MHz四个频段；内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO以及可配置的GPIO等。

　　Si4432芯片在使用时所需的外部元件很少，仅需要1个30 MHz的晶振、几个电容和电感就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单，且成本低。

　　Si4432的接收灵敏度达到-117 dB，可提供极佳的链路质量，在扩大传输范围的同时将功耗降至最低；最小滤波带宽达8 kHz，具有极佳的频道选择性；在240~960MHz频段内，不加功率放大器时的最大输出功率就可达+20 dBm，设计良好时收发距离最远可达2km.

　　Si4432做成无线通信模块应用广泛，可适用于无线数据通信、无线遥控系统、小型无线网络、小型无线数据终端、无线抄表、门禁系统、无线遥感监测、水文气象监控、机器人控制、无线RS485/RS232数据通信等诸多领域。

　　Si4432芯片引脚图如图1所示。

　　图1 Si4432芯片引脚图

　　2 系统功能与结构设计

　　2.1 系统功能

　　系统可对热网的运行实时监视、测量、记录热网运行参数并进行参数（温度、压力等参数）的超限报警；完成日常的管理工作，包括报表的生成和打印、热网计量管理、对控制器的控制、参数设定、远程数据采集、运行数据的汇总、综合分析以及历史数据的备份等功能。通过对热网进行自动控制，使整个系统供热均匀，满足舒适性要求。同时减少热量消耗，达到节能的目的，为最终实现“热”的商品化和市场化提供前提条件。

　　2.2 系统拓扑结构

　　整个系统总体上可以分为3层：管理层、中继层和现场仪表层。现场仪表层又可以分为控制器和遥控器。系统的拓扑结构如图2所示。

　　2.2.1 管理层

　　管理层是位于热力公司的主站，由以工业控制机为核心的网络组成，工业控制机全天候运行。工业控制机既是调度中心的服务器，同时相对于各采集控制站点来说，又是客户机。服务器通过宽带实时采集、存储来自各客户机站点的数据，并对各站点运行情况进行实时监控。客户机通过GPRS通信模块和中继层的集中器通信，采集集中器下的各个控制器的参数，进行实时采集和监控。

　　2.2.2 中继层

　　中继层位于用户楼宇的公共位置，主要是集中器。它的通信部分由GPRS模块和Si4432芯片组成。它和管理层采用GPRS模块通信，在现场仪表层采集温度、压力、控制阀的状态和开启时间等数据并将这些数据通过GPRS网络传输给管理层；集中器和现场仪表层采用Si4432无线收发芯片进行通信，随时采集现场仪表层的温度、压力、控制阀的状态和开启时间等数据，并且发送相关命令。

　　2.2.3 现场仪表层

　　现场仪表层位于各个热用户的住宅内和管道井里，主要由控制器和遥控器组成。控制器放在管道井里，由2套Si4432无线收发芯片组成。它分别和集中器和遥控器通信，将热网的温度、压力、控制阀的开关时间等参数上传到集中器，同时接收集中器的命令；另一模块完成与遥控器的通信，采集遥控器测定的室温和设定的控制温度，对控制阀进行控制，从而控制室温。遥控器放在室内，可以采集室内的温度，并由用户对室内的温度进行预设，通过Si4432芯片将参数送到控制器内，实现温度的控制。

　　3 系统软硬件设计

　　3.1 系统硬件设计

　　系统硬件部分主要由中继层与现场仪表层两部分组成。现场仪表层又分为控制器和遥控器。

　　中继层主要由GPRS模块和Si4432芯片组成。GPRS模块选用Motorola公司的模块G20.G20是该公司推出的内嵌TCP/IP协议的GSM/GPRS模块，性能优越，体积小巧，而且解决了GSM/GPRS模块无线通信和数据传输终端的协议瓶颈和成本问题。该模块广泛应用于短信中心、GPRS监控系统、无线POS机、无线抄表、车辆防盗等。G20通过UART与控制处理芯片进行通信，将数据信息与控制信号在控制器和上位机之间进行双向传递。控制器中是由Si4432芯片通过SPI与单片机C8051F310通信，将数据信息与控制信号和控制层之间进行双向的传递；同时通过另一路Si4432和遥控器之间进行数据交换。

　　无论集中器和控制器，还是控制器和遥控器的通信均是通过Si4432无线收发芯片来完成。所以为了将设计模块化，减少工作量，针对Si4432设计了无线通信模块。Si4432无线收发模块如图3所示。

　　Si4432的13~16脚是标准的SPI接口，17脚（nIRQ）是中断状态输出引脚。当FIFO溢出、有效的数据包发送或接收、CRC错误、检测到前导位和同步字、上电复位等情况发生，且相应的中断被使能时，17脚都会产生一个低电平以通知单片机有中断产生。20脚（SDN）决定了Si4432芯片的工作状态。当SDN接地（SDN=0）时，芯片处于常规工作模式；接高电平（SDN=1）时，芯片处于掉电模式。掉电模式下寄存器中的内容会丢失，且不允许SPI访问，但芯片的电流损耗只有10 nA，功耗很低，因此适合要求极低功耗的应用。在连接到电源后，在SDN的下降沿上电复位，根据指令转换到其他工作模式。

　　单片机可以通过内置SPI对Si4432的内部寄存器进行读写操作，灵活配置各项参数。通过SPI接口完成对Si4432的初始化配置、读写数据、访问FIFO等操作。使用4线SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL.MOSI用于从单片机到Si4432的串行数据传输；MISO用于从Si4432到单片机的串行数据传输；SCK用于同步单片机和Si4432之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；nSEL作为片选信号，只有片选信号为低电平时，对Si44 32的操作才有效。

　　为了达到较好的通信效果，Si4432的接收低噪声放大器匹配电路和发射功率放大器匹配电路的阻容参数，应严格按照数据手册提供的参数选型。前端的分集式电路采用UPG2214TB，其VC1脚和VC2脚分别连接Si4432的GPIO1和GPIO2.通过这款交叉开关实现分集式天线发送和接收通道的自动切换。