系統軟件設計 - 無線熱網監測系統設計方案的實現

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，是供熱企業與居民矛盾的導火線。熱能計量成為供熱企業新的需求。根據目前住宅狀況，無線控制系統在熱網計量中具有施工方便，節省資源的優勢。但是由于以往熱網采用的無線通信模塊的發射距離近，穿透性差，造成數據不能實時回讀和控制，不能充分體現熱網的計費充分透明。Si4432是Silicon Labs公司推出的新一代無線通信芯片，它具有發射距離遠、穿透能力強、功耗低等優點，完全可以應用到本系統中。通過Si4432的應用，熱網數據能夠可靠、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的控制，進行溫度、壓力、控制閥的開啟時間等數據的傳輸與交互，從而解決熱能計量不透明的問題，為最終實現溫度的實時監控計量和熱網的參數采集提供前提條件。

　　1 關于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；內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、64字節的發送和接收數據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系統，設計簡單，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，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20 dBm，設計良好時收發距離最遠可達2km.

　　Si4432做成無線通信模塊應用廣泛，可適用于無線數據通信、無線遙控系統、小型無線網絡、小型無線數據終端、無線抄表、門禁系統、無線遙感監測、水文氣象監控、機器人控制、無線RS485/RS232數據通信等諸多領域。

　　Si4432芯片引腳圖如圖1所示。

　　圖1 Si4432芯片引腳圖

　　2 系統功能與結構設計

　　2.1 系統功能

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

　　2.2 系統拓撲結構

　　整個系統總體上可以分為3層：管理層、中繼層和現場儀表層。現場儀表層又可以分為控制器和遙控器。系統的拓撲結構如圖2所示。

　　2.2.1 管理層

　　管理層是位于熱力公司的主站，由以工業控制機為核心的網絡組成，工業控制機全天候運行。工業控制機既是調度中心的服務器，同時相對于各采集控制站點來說，又是客戶機。服務器通過寬帶實時采集、存儲來自各客戶機站點的數據，并對各站點運行情況進行實時監控。客戶機通過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，進行實時采集和監控。

　　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，在現場儀表層采集溫度、壓力、控制閥的狀態和開啟時間等數據并將這些數據通過GPRS網絡傳輸給管理層；集中器和現場儀表層采用Si4432無線收發芯片進行通信，隨時采集現場儀表層的溫度、壓力、控制閥的狀態和開啟時間等數據，并且發送相關命令。

　　2.2.3 現場儀表層

　　現場儀表層位于各個熱用戶的住宅內和管道井里，主要由控制器和遙控器組成。控制器放在管道井里，由2套Si4432無線收發芯片組成。它分別和集中器和遙控器通信，將熱網的溫度、壓力、控制閥的開關時間等參數上傳到集中器，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，可以采集室內的溫度，并由用戶對室內的溫度進行預設，通過Si4432芯片將參數送到控制器內，實現溫度的控制。

　　3 系統軟硬件設計

　　3.1 系統硬件設計

　　系統硬件部分主要由中繼層與現場儀表層兩部分組成。現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是該公司推出的內嵌TCP/IP協議的GSM/GPRS模塊，性能優越，體積小巧，而且解決了GSM/GPRS模塊無線通信和數據傳輸終端的協議瓶頸和成本問題。該模塊廣泛應用于短信中心、GPRS監控系統、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，將數據信息與控制信號在控制器和上位機之間進行雙向傳遞。控制器中是由Si4432芯片通過SPI與單片機C8051F310通信，將數據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據交換。

　　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無線收發芯片來完成。所以為了將設計模塊化，減少工作量，針對Si4432設計了無線通信模塊。Si4432無線收發模塊如圖3所示。

　　Si4432的13~16腳是標準的SPI接口，17腳（nIRQ）是中斷狀態輸出引腳。當FIFO溢出、有效的數據包發送或接收、CRC錯誤、檢測到前導位和同步字、上電復位等情況發生，且相應的中斷被使能時，17腳都會產生一個低電平以通知單片機有中斷產生。20腳（SDN）決定了Si4432芯片的工作狀態。當SDN接地（SDN=0）時，芯片處于常規工作模式；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用。在連接到電源后，在SDN的下降沿上電復位，根據指令轉換到其他工作模式。

　　單片機可以通過內置SPI對Si4432的內部寄存器進行讀寫操作，靈活配置各項參數。通過SPI接口完成對Si4432的初始化配置、讀寫數據、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的串行數據傳輸；MISO用于從Si4432到單片機的串行數據傳輸；SCK用于同步單片機和Si4432之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸；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射功率放大器匹配電路的阻容參數，應嚴格按照數據手冊提供的參數選型。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.通過這款交叉開關實現分集式天線發送和接收通道的自動切換。