基于SI4432的智能小區(qū)無線傳輸系統(tǒng)

中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院 王宇斌中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 秦雁飛 安宇新

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基于SI4432的智能小區(qū)無線傳輸系統(tǒng)

中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院 王宇斌
中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 秦雁飛 安宇新

【摘要】針對大多數(shù)小區(qū)信息的傳輸仍使用有線形式，布線缺乏靈活性，設(shè)計完成了基于微處理器STM32和RF收發(fā)芯片SI4432的智能小區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ACK雙向通信、精簡CSMA/CA發(fā)送機制，增強系統(tǒng)的可靠性，減少由于數(shù)據(jù)沖突造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。在保證數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)耐瑫r，系統(tǒng)還配置了SPI，IIC多重擴展接口，為功能擴展及大系統(tǒng)集成提供了可能。實現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度的無線數(shù)據(jù)傳偷。

【關(guān)鍵詞】SI4432；智能小區(qū)；無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

引言

智能化小區(qū)，給住戶提供了一個安全、舒適的生活環(huán)境，在小區(qū)的周邊及小區(qū)內(nèi)設(shè)置安全防范系統(tǒng)，并在住戶家庭內(nèi)設(shè)置可視對講或不可視對講、防盜報警探測器、緊急求助和報警按鈕、可燃氣體探測報警等家庭安全防范系統(tǒng)［1］，設(shè)置三表出戶計量系統(tǒng)以及電視、電話和計算機網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為住戶需求的高速通信提供可能。目前常見的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］主要有藍牙、紅外線、無線局域網(wǎng)和基于無線通信芯片的自組網(wǎng)技術(shù)［3］。藍牙技術(shù)只支持設(shè)備短距離通信（一般在10m 以內(nèi)）且價格較高。紅外線通信技術(shù)［4］比較大的缺點就是通信設(shè)備要在一條直線上，方向性很強，而且中間不能有障礙物。無線局域網(wǎng)技術(shù)［5］是計算機網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。雖然組網(wǎng)容易，擴容靈活，但是其應(yīng)用比較復(fù)雜且價格昂貴不宜推廣。而一些比較簡單的應(yīng)用場合，比如自動讀表，報警和安全系統(tǒng)，家庭自動化，一些環(huán)境比較復(fù)雜的場合，比如農(nóng)業(yè)應(yīng)用和工業(yè)控制等領(lǐng)域，人們往往選擇一些基于簡單的微功率無線通信芯片搭建的自組網(wǎng)平臺，這樣不但成本比較低，而且控制更加可靠靈活。又可以通過通用接口接入計算機網(wǎng)絡(luò)。另外，微功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如今也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個熱門的方向，通過一些通用的接口可以很方便的變成物聯(lián)網(wǎng)的一個個子網(wǎng)或者終端感知網(wǎng)絡(luò)。我們采用ISM［6］頻段的SI4432射頻芯片和STM32控制器設(shè)計了一種新的無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件的搭建，無線通信程序及上位機界面的設(shè)計。

1　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)針對小區(qū)的不同需求開發(fā)了三代產(chǎn)品：第一代為簡單信號的傳輸，適用于小區(qū)內(nèi)傳感器信號的傳輸；第二代為語音信息的傳輸，適用于樓宇對講；第三代為視頻信息的傳輸，適用于小區(qū)可視化管理。

下面我們將第一代產(chǎn)品應(yīng)用于小區(qū)內(nèi)火災(zāi)、煤氣的監(jiān)測，介紹系統(tǒng)的組成、工作原理及實現(xiàn)方式?，F(xiàn)有的火災(zāi)、煤氣監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)都是以家庭為單位的獨立式報警，當(dāng)住宅無人時，信息得不到及時的傳遞，導(dǎo)致安全報警系統(tǒng)作用無效，火災(zāi)等事故造成的危害進一步增大。部分小區(qū)通過有線的方式將火災(zāi)、煤氣監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸至物業(yè)中心，有線網(wǎng)路由于受到布線的限制，節(jié)點設(shè)置不靈活，施工周期長，人工成本高，后期維護難度大，不便于后期進行安防擴容及升級改造，制約產(chǎn)品的普及。

基于無線傳輸?shù)闹悄苄^(qū)火災(zāi)、煤氣監(jiān)測系統(tǒng)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點，用于傳輸?shù)闹欣^節(jié)點和物業(yè)中心節(jié)點組成。

傳感器節(jié)點是由煙霧、氣體傳感器、報警器、處理器（MCU）、Si4432和電源五個部分組成。煙霧、氣體傳感器通過化學(xué)反應(yīng)對煤氣和火災(zāi)產(chǎn)生的氣體、煙霧進行檢測。當(dāng)達到設(shè)定濃度時，產(chǎn)生信號觸發(fā)處理器中斷。處理器（MCU）STM32產(chǎn)生中斷時，控制報警器報警，并把含有住戶地址和報警情況的信息發(fā)送至Si4432，控制其進入發(fā)射狀態(tài)。STM32具有儲存空間大，處理速度快等優(yōu)點，便于后期對產(chǎn)品進行語音升級和擴展。Si4432使用FIFO模式，使能CRC校驗，以數(shù)據(jù)包的形式將從MCU接收到的信息發(fā)送給中繼節(jié)點。其工作在434MHZ的頻率，接收靈敏度為-118 dBm，輸出功率為+20 dBm，傳輸距離遠；接收狀態(tài)下，電流為18.5mA，發(fā)送狀態(tài)下電流為60mA （20dBm），在同類無線芯片中，功耗最低，在保證了傳輸范圍和穿透能力的情況下，滿足了低功耗的要求。電源由干電池供電，系統(tǒng)在待機狀態(tài)下電流小于10uA，使用壽命長達一年。

中繼節(jié)點是由處理器（MCU）、Si4432和電源三個部分組成。Si4432在感應(yīng)到消息時進入接收狀態(tài)，將信息接收并進入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)送到鄰近中繼節(jié)點或物業(yè)中心節(jié)點，成功后保持掛起狀態(tài)。電源由干電池供電，節(jié)點設(shè)置靈活。

物業(yè)中心節(jié)點是由處理器（MCU）、Si4432、報警顯示器和電源四個部分組成。Si4432在感應(yīng)到消息時進入接收狀態(tài)，將中繼節(jié)點傳來的信息按照傳感器節(jié)點信息的格式進行解碼，將事故發(fā)生的地址及類型報警顯示通知物業(yè)人員。

2　無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

由于各類節(jié)點呈輻射式發(fā)射數(shù)據(jù)，相鄰各節(jié)點都會接收到信息，進行發(fā)射，而發(fā)射過消息的節(jié)點仍會接收到相同的消息，再次進行發(fā)射，使得相同消息在網(wǎng)絡(luò)中無休止的進行傳遞，造成系統(tǒng)的混亂，無法正常工作。為此，我們構(gòu)建了一個單跳或多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。在一個小區(qū)中，物業(yè)中心按照“xxx.xxx.xxx”的格式給每個用戶的傳感器節(jié)點分配一個固定的地址。傳感器節(jié)點一直處于掛起狀態(tài)，只有在接收到傳感器傳來的中斷時，才會進入發(fā)射狀態(tài)，將含有自己地址和事故類型的信息發(fā)送給中繼節(jié)點。通過回傳判斷發(fā)射成功后，再次進入掛起狀態(tài)。但鄰近的傳感器節(jié)點也會感應(yīng)到節(jié)點傳來的消息并產(chǎn)生中斷，我們對產(chǎn)生的中斷進行處理，使其不進入接收態(tài)。當(dāng)中繼節(jié)點感應(yīng)到消息時，會進入接收狀態(tài)，將信息接收并進入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)送到鄰近的中繼節(jié)點或物業(yè)中心節(jié)點，成功后保持掛起狀態(tài)。中繼節(jié)點在接收到信息時，對信息進行判斷處理，如果接收到相同的信息，則不再進行發(fā)送。物業(yè)中心節(jié)點感應(yīng)到中繼節(jié)點發(fā)送的信息時，轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諔B(tài)，將中繼節(jié)點傳來的信息按照傳感器節(jié)點信息的格式進行解碼，將事故發(fā)生的地址及報警信息顯示，通知物業(yè)人員，后保持掛起狀態(tài)。實現(xiàn)各傳感器節(jié)點之間，傳感器與物業(yè)中心之間的無線網(wǎng)絡(luò)連接，并使得該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有序的運行。而且由于智能小區(qū)火災(zāi)、煤氣監(jiān)測系統(tǒng)的各節(jié)點在沒有事故發(fā)生時，始終處于掛起狀態(tài)，滿足了低功耗的要求。

3　硬件電路的設(shè)計

控制器為STM32F103VET6，STM32F1系列屬于32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3，它的出色的運行速度為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障，杰出的功耗控制能讓系統(tǒng)維持低功耗狀態(tài)。傳感器節(jié)點系統(tǒng)組成如圖2所示。

4　軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點的主程序流程圖如圖3所示。

圖2　傳感器節(jié)點系統(tǒng)組成

圖3　傳感器節(jié)點主程序流程圖

程序主要函數(shù)為Si4432芯片的初始化，發(fā)送函數(shù)，接收函數(shù)以及SPI、LCD、USART等各個功能函數(shù)的初始化。此外，我們也加入反饋函數(shù)，使發(fā)送機能夠了解發(fā)送及接收的狀態(tài)，更加的智能化，便于用戶更好的使用。

5　測試結(jié)果

產(chǎn)品經(jīng)測試，達到預(yù)期的設(shè)想，在空曠的環(huán)境下，穩(wěn)定傳輸距離可以達到500m，在樓宇內(nèi)，穩(wěn)定穿透樓層可以達到6層。

在空曠環(huán)境條件下測試結(jié)果如表1所示。

表1　Si4432傳輸成功率與距離的關(guān)系

表2　Si4432傳輸成功率與樓層的關(guān)系

6　結(jié)語

我們設(shè)計的基于微處理器STM32和RF收發(fā)芯片SI4432的高性能無線收發(fā)應(yīng)用平臺不僅可以由串口、通用IO口和AD轉(zhuǎn)化接口擴展原產(chǎn)品的應(yīng)用，而且還可以很好地解決系統(tǒng)互聯(lián)和系統(tǒng)集成方面的問題。同時采用了ACK雙向通信、精簡CSMA/CA發(fā)送機制，來增強系統(tǒng)的可靠性，減少由于數(shù)據(jù)沖突造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，實現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度的無線數(shù)據(jù)傳輸。

參考文獻

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基金項目：山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（2015244）。

作者簡介：

王宇斌（1995-），大學(xué)本科，研究方向為電氣工程及其自動化。