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。
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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。
3.2 系統軟件設計
軟件編程采用模塊化設計思想，系統中各主要功能模塊均編成獨立的函數由主程序調用，功能模塊包括：初始化程序（包括初始化C8051 F310、SPI、Si4432）、無線發送程序以及無線接收程序等。無線發送程序負責寫入數據載荷，并根據通信協議為數據載荷加上前導碼、同步字、數據載荷長度及CRC校驗字節，形成數據包將其發送出去；無線接收程序負責接收并檢驗數據包中的CRC字節，以確保接收到的數據的正確性。
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的關于無線收發頻率、工作模式、發射速率等內部寄存器的初始化配置。
系統上電后，C8051F310處于默認狀態，根據系統功能需求重新進行初始化配置。C8051F310的數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到端口I/O引腳，可通過設置交叉開關控制寄存器，將片內資源配置到具體的I/O引腳上。這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇通用I/O端口和所需數字資源的組合，提高了應用的靈活性。本系統中，主要配置了SPI通信的4線，液晶LCD的數據線接口、控制線接口等。
初始化SPI時，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則。這里，選擇主SPI，4線模式，時鐘極性為低電平，在時鐘上升沿時對數據采樣；通過配置SPI1CKR寄存器，可將同步時鐘頻率設為晶振頻率的1/4.
上電之初，Si4432也處于默認狀態，需要進行配置才能工作。Si4432有70多個寄存器需要配置，它們決定了Si4432的丁作模式，具體配置可以參考Si4432的數據手冊。Si4432的初始化是一個重要的部分，配置的恰當與否對系統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等寄存器來設置包的結構、前導碼長度、同步字內容等。本系統采用同步傳輸模式，以0x2DD4作為同步模式的標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸數據載荷。
3.2.2 無線發送程序
無線發送程序流程如圖4所示。完成C8051F310、SPI和Si4432的初始化后，配置寄存器寫入相應的初始化RF控制字。接下來，通過配置Si4432的寄存器3eh來設置包的長度，通過SPI連續寫寄存器7fh，往TX FIFO里寫入需要發送的數據。然后打開“發送完中斷允許”標志，將其他中斷都禁止。當有數據包發送完時，引腳nIRQ會被拉低以產生一個低電平從而通知C8051F310數據包已發送完畢。完成中斷使能后，使能發送功能，數據開始發送。等待nIRQ引腳因中斷產生而使電平拉低，當nIRQ引腳變為低時讀取中斷狀態并拉高nIRQ，否則繼續等待。一次數據發送成功后，進入下一次數據循環發送狀態。
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中讀取接收到的數據。相應的控制字設置好之后，若引腳nIRQ變成低電平，則表示Si4432準備好接收數據。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變為低電平，則表示有效的數據包被檢測到。本系統用0x2DD4作為同步模式的標志碼，接收模塊通過檢測這個同步字來同步接收數據。最后，使能接收功能，數據開始接收。等待nIRQ引腳因產生中斷而使電平拉低，讀取中斷標志位復位nIRQ引腳，使nIRQ恢復至初始的高電平狀態以準備下一次中斷觸發的檢測。通過SPI讀取RX FIFO中的數據，之后進入下一次數據接收狀態。無線接收程序流程如圖5所示。
4 系統測試與分析
為驗證本無線射頻收發系統設計的可靠性，進行了7組“發射模塊-接收模塊”通信實驗。在空曠地通信距離約為1 600 m時，7組“發射模塊-接收模塊”分別工作在430.50 MHz、431.50 MHz、432.50 MHz等7個中心頻率上，帶寬均取112.8 kHz，頻率偏移取±25 kHz，發送4 000個數據包，實驗結果如表1所列。
從表1中可以看出，在傳輸速率較低時，誤碼率為0;在傳輸速率為100 kbps（或以上）時，有一定的誤碼，但誤碼率不高于0.050%.因此，該無線射頻收發系統具有傳輸距離遠、穿透能力強、通信誤碼率低的特點。
結語
采用Si4432這種短距離無線通信芯片，完全可以擴充為一個網絡系統，形成一個無線網絡，使本系統在熱網監控系統的解決方案中不需要重新布線就可以有效地進行溫度采集和控制；本文所設計的無線射頻收發系統工作可靠、穩定，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可以給熱網監控系統的數據采集增加一種新的解決方案，但也需要對熱閥進行數字化升級。隨著無線通信的發展，Si4432芯片的短距離無線通信技術和GPRS移動通信技術將在工控系統中有廣闊的發展空間。