系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) - 無線熱網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)

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。

　　圖1 Si4432芯片引腳圖

　　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(chǔ)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(huì)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(huì)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。