Si4432的无线热网监测系统设计

摘要：针对目前热网监测系统中存在的问题，设计了一款基于C8051F310和Si4432通用无线收发模块的无线热网系统，并对其硬件和软件设计中的关键技术进行了说明。实验证明，该系统具有较远的通信距离和较强的穿墙能力，并且通信误码率较低。
关键词：Si4432模块；无线；热网系统

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。

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。