中北大學(xué)計(jì)算機(jī)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(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)

中北大學(xué)計(jì)算機(jī)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(duì)大多數(shù)小區(qū)信息的傳輸仍使用有線(xiàn)形式，布線(xiàn)缺乏靈活性，設(shè)計(jì)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ACK雙向通信、精簡(jiǎn)CSMA/CA發(fā)送機(jī)制，增強(qiáng)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(shí)，系統(tǒng)還配置了SPI，IIC多重?cái)U(kuò)展接口，為功能擴(kuò)展及大系統(tǒng)集成提供了可能。實(shí)現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳偷。

【關(guān)鍵詞】SI4432；智能小區(qū)；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

引言

智能化小區(qū)，給住戶(hù)提供了一個(gè)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(hù)家庭內(nèi)設(shè)置可視對(duì)講或不可視對(duì)講、防盜報(bào)警探測(cè)器、緊急求助和報(bào)警按鈕、可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警等家庭安全防范系統(tǒng)［1］，設(shè)置三表出戶(hù)計(jì)量系統(tǒng)以及電視、電話(huà)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為住戶(hù)需求的高速通信提供可能。目前常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］主要有藍(lán)牙、紅外線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和基于無(wú)線(xiàn)通信芯片的自組網(wǎng)技術(shù)［3］。藍(lán)牙技術(shù)只支持設(shè)備短距離通信（一般在10m 以?xún)?nèi)）且價(jià)格較高。紅外線(xiàn)通信技術(shù)［4］比較大的缺點(diǎn)就是通信設(shè)備要在一條直線(xiàn)上，方向性很強(qiáng)，而且中間不能有障礙物。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)［5］是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。雖然組網(wǎng)容易，擴(kuò)容靈活，但是其應(yīng)用比較復(fù)雜且價(jià)格昂貴不宜推廣。而一些比較簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，比如自動(dòng)讀表，報(bào)警和安全系統(tǒng)，家庭自動(dòng)化，一些環(huán)境比較復(fù)雜的場(chǎng)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(jiǎn)單的微功率無(wú)線(xiàn)通信芯片搭建的自組網(wǎng)平臺(tái)，這樣不但成本比較低，而且控制更加可靠靈活。又可以通過(guò)通用接口接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。另外，微功率無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)如今也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)的方向，通過(guò)一些通用的接口可以很方便的變成物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)個(gè)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(jì)了一種新的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)硬件的搭建，無(wú)線(xiàn)通信程序及上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)針對(duì)小區(qū)的不同需求開(kāi)發(fā)了三代產(chǎn)品：第一代為簡(jiǎn)單信號(hào)的傳輸，適用于小區(qū)內(nèi)傳感器信號(hào)的傳輸；第二代為語(yǔ)音信息的傳輸，適用于樓宇對(duì)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(cè)，介紹系統(tǒng)的組成、工作原理及實(shí)現(xiàn)方式。現(xiàn)有的火災(zāi)、煤氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)都是以家庭為單位的獨(dú)立式報(bào)警，當(dāng)住宅無(wú)人時(shí)，信息得不到及時(shí)的傳遞，導(dǎo)致安全報(bào)警系統(tǒng)作用無(wú)效，火災(zāi)等事故造成的危害進(jìn)一步增大。部分小區(qū)通過(guò)有線(xiàn)的方式將火災(zāi)、煤氣監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至物業(yè)中心，有線(xiàn)網(wǎng)路由于受到布線(xiàn)的限制，節(jié)點(diǎn)設(shè)置不靈活，施工周期長(zhǎng)，人工成本高，后期維護(hù)難度大，不便于后期進(jìn)行安防擴(kuò)容及升級(jí)改造，制約產(chǎn)品的普及。

基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)闹悄苄^(qū)火災(zāi)、煤氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，用于傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)和物業(yè)中心節(jié)點(diǎn)組成。

傳感器節(jié)點(diǎn)是由煙霧、氣體傳感器、報(bào)警器、處理器（MCU）、Si4432和電源五個(gè)部分組成。煙霧、氣體傳感器通過(guò)化學(xué)反應(yīng)對(duì)煤氣和火災(zāi)產(chǎn)生的氣體、煙霧進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)觸發(fā)處理器中斷。處理器（MCU）STM32產(chǎn)生中斷時(shí)，控制報(bào)警器報(bào)警，并把含有住戶(hù)地址和報(bào)警情況的信息發(fā)送至Si4432，控制其進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)。STM32具有儲(chǔ)存空間大，處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，便于后期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行語(yǔ)音升級(jí)和擴(kuò)展。Si4432使用FIFO模式，使能CRC校驗(yàn)，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(diǎn)。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(yuǎn)；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(lèi)無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足了低功耗的要求。電源由干電池供電，系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)下電流小于10uA，使用壽命長(zhǎng)達(dá)一年。

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

物業(yè)中心節(jié)點(diǎn)是由處理器（MCU）、Si4432、報(bào)警顯示器和電源四個(gè)部分組成。Si4432在感應(yīng)到消息時(shí)進(jìn)入接收狀態(tài)，將中繼節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息按照傳感器節(jié)點(diǎn)信息的格式進(jìn)行解碼，將事故發(fā)生的地址及類(lèi)型報(bào)警顯示通知物業(yè)人員。

2　無(wú)線(xiàn)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(lèi)節(jié)點(diǎn)呈輻射式發(fā)射數(shù)據(jù)，相鄰各節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到信息，進(jìn)行發(fā)射，而發(fā)射過(guò)消息的節(jié)點(diǎn)仍會(huì)接收到相同的消息，再次進(jìn)行發(fā)射，使得相同消息在網(wǎng)絡(luò)中無(wú)休止的進(jìn)行傳遞，造成系統(tǒng)的混亂，無(wú)法正常工作。為此，我們構(gòu)建了一個(gè)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(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。在一個(gè)小區(qū)中，物業(yè)中心按照“xxx.xxx.xxx”的格式給每個(gè)用戶(hù)的傳感器節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)固定的地址。傳感器節(jié)點(diǎn)一直處于掛起狀態(tài)，只有在接收到傳感器傳來(lái)的中斷時(shí)，才會(huì)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，將含有自己地址和事故類(lèi)型的信息發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)。通過(guò)回傳判斷發(fā)射成功后，再次進(jìn)入掛起狀態(tài)。但鄰近的傳感器節(jié)點(diǎn)也會(huì)感應(yīng)到節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的消息并產(chǎn)生中斷，我們對(duì)產(chǎn)生的中斷進(jìn)行處理，使其不進(jìn)入接收態(tài)。當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到消息時(shí)，會(huì)進(jìn)入接收狀態(tài)，將信息接收并進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，發(fā)送到鄰近的中繼節(jié)點(diǎn)或物業(yè)中心節(jié)點(diǎn)，成功后保持掛起狀態(tài)。中繼節(jié)點(diǎn)在接收到信息時(shí)，對(duì)信息進(jìn)行判斷處理，如果接收到相同的信息，則不再進(jìn)行發(fā)送。物業(yè)中心節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諔B(tài)，將中繼節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息按照傳感器節(jié)點(diǎn)信息的格式進(jìn)行解碼，將事故發(fā)生的地址及報(bào)警信息顯示，通知物業(yè)人員，后保持掛起狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)之間，傳感器與物業(yè)中心之間的無(wú)線(xiàn)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(yùn)行。而且由于智能小區(qū)火災(zāi)、煤氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有事故發(fā)生時(shí)，始終處于掛起狀態(tài)，滿(mǎn)足了低功耗的要求。

3　硬件電路的設(shè)計(jì)

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(yùn)行速度為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(diǎn)系統(tǒng)組成如圖2所示。

4　軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)的主程序流程圖如圖3所示。

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成

圖3　傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)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(jī)能夠了解發(fā)送及接收的狀態(tài)，更加的智能化，便于用戶(hù)更好的使用。

5　測(cè)試結(jié)果

產(chǎn)品經(jīng)測(cè)試，達(dá)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(dá)到500m，在樓宇內(nèi)，穩(wěn)定穿透樓層可以達(dá)到6層。

在空曠環(huán)境條件下測(cè)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(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)的基于微處理器STM32和RF收發(fā)芯片SI4432的高性能無(wú)線(xiàn)收發(fā)應(yīng)用平臺(tái)不僅可以由串口、通用IO口和AD轉(zhuǎn)化接口擴(kuò)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(wèn)題。同時(shí)采用了ACK雙向通信、精簡(jiǎn)CSMA/CA發(fā)送機(jī)制，來(lái)增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

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作者簡(jiǎn)介：

王宇斌（1995-），大學(xué)本科，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。