基于SI4432的智能小區無線傳輸系統

中北大學計算機與控制工程學院 王宇斌中北大學信息與通信工程學院 秦雁飛 安宇新

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基于SI4432的智能小區無線傳輸系統

中北大學計算機與控制工程學院 王宇斌
中北大學信息與通信工程學院 秦雁飛 安宇新

【摘要】針對大多數小區信息的傳輸仍使用有線形式，布線缺乏靈活性，設計完成了基于微處理器STM32和RF收發芯片SI4432的智能小區無線網絡傳輸系統。系統采用ACK雙向通信、精簡CSMA/CA發送機制，增強系統的可靠性，減少由于數據沖突造成的數據丟失現象。在保證數據高效傳輸的同時，系統還配置了SPI，IIC多重擴展接口，為功能擴展及大系統集成提供了可能。實現了低功耗、小體積、高靈敏度的無線數據傳偷。

【關鍵詞】SI4432；智能小區；無線網絡傳輸系統

引言

智能化小區，給住戶提供了一個安全、舒適的生活環境，在小區的周邊及小區內設置安全防范系統，并在住戶家庭內設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［1］，設置三表出戶計量系統以及電視、電話和計算機網絡服務，為住戶需求的高速通信提供可能。目前常見的無線網絡技術［2］主要有藍牙、紅外線、無線局域網和基于無線通信芯片的自組網技術［3］。藍牙技術只支持設備短距離通信（一般在10m 以內）且價格較高。紅外線通信技術［4］比較大的缺點就是通信設備要在一條直線上，方向性很強，而且中間不能有障礙物。無線局域網技術［5］是計算機網絡與無線通信技術結合的產物。雖然組網容易，擴容靈活，但是其應用比較復雜且價格昂貴不宜推廣。而一些比較簡單的應用場合，比如自動讀表，報警和安全系統，家庭自動化，一些環境比較復雜的場合，比如農業應用和工業控制等領域，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絡。另外，微功率無線傳感器網絡如今也是物聯網發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網的一個個子網或者終端感知網絡。我們采用ISM［6］頻段的SI4432射頻芯片和STM32控制器設計了一種新的無線通信網絡傳輸系統，完成了系統硬件的搭建，無線通信程序及上位機界面的設計。

1　系統組成

本系統針對小區的不同需求開發了三代產品：第一代為簡單信號的傳輸，適用于小區內傳感器信號的傳輸；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，適用于小區可視化管理。

下面我們將第一代產品應用于小區內火災、煤氣的監測，介紹系統的組成、工作原理及實現方式。現有的火災、煤氣監測系統大多數都是以家庭為單位的獨立式報警，當住宅無人時，信息得不到及時的傳遞，導致安全報警系統作用無效，火災等事故造成的危害進一步增大。部分小區通過有線的方式將火災、煤氣監測的數據傳輸至物業中心，有線網路由于受到布線的限制，節點設置不靈活，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，制約產品的普及。

基于無線傳輸的智能小區火災、煤氣監測系統是由部署在監測區域內的大量傳感器節點，用于傳輸的中繼節點和物業中心節點組成。

傳感器節點是由煙霧、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反應對煤氣和火災產生的氣體、煙霧進行檢測。當達到設定濃度時，產生信號觸發處理器中斷。處理器（MCU）STM32產生中斷時，控制報警器報警，并把含有住戶地址和報警情況的信息發送至Si4432，控制其進入發射狀態。STM32具有儲存空間大，處理速度快等優點，便于后期對產品進行語音升級和擴展。Si4432使用FIFO模式，使能CRC校驗，以數據包的形式將從MCU接收到的信息發送給中繼節點。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；接收狀態下，電流為18.5mA，發送狀態下電流為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，系統在待機狀態下電流小于10uA，使用壽命長達一年。

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

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

2　無線網絡傳輸系統

圖1　系統網絡拓撲圖

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

3　硬件電路的設計

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體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3，它的出色的運行速度為系統的穩定運行提供了保障，杰出的功耗控制能讓系統維持低功耗狀態。傳感器節點系統組成如圖2所示。

4　軟件設計

網絡傳感器節點的主程序流程圖如圖3所示。

圖2　傳感器節點系統組成

圖3　傳感器節點主程序流程圖

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

5　測試結果

產品經測試，達到預期的設想，在空曠的環境下，穩定傳輸距離可以達到500m，在樓宇內，穩定穿透樓層可以達到6層。

在空曠環境條件下測試結果如表1所示。

表1　Si4432傳輸成功率與距離的關系

表2　Si4432傳輸成功率與樓層的關系

6　結語

我們設計的基于微處理器STM32和RF收發芯片SI4432的高性能無線收發應用平臺不僅可以由串口、通用IO口和AD轉化接口擴展原產品的應用，而且還可以很好地解決系統互聯和系統集成方面的問題。同時采用了ACK雙向通信、精簡CSMA/CA發送機制，來增強系統的可靠性，減少由于數據沖突造成的數據丟失現象，實現了低功耗、小體積、高靈敏度的無線數據傳輸。

參考文獻

［1］鄧瑩，張麗，劉有源.基于無線傳感器網絡的智能建筑安防系統研究［J］.中國水運，2007，（5）：133-134.

［2］柴淑娟，趙建平，基于無線傳感器網絡的水質監測系統的研究［J］.曲阜師范大學學報，2010，（36）：75-77.

［3］孫德輝，龔關飛，楊揚.基于CC2430的無線傳感器網絡系統設計［J］.現代電子技術，2010，（13）：66-68.

［4］胡道元.信息網絡系統集成技術［M］.北京：清華大學出版社，1996.

［5］陳洪樓.住宅小區智能化的規劃和研究［D］.大連：大連海事大學，2001.

［6］張瑞武.智能建筑的系統集成及工程實施［M］.北京：清華大學出版社，2000.

基金項目：山西省高等學校大學生創新創業訓練項目（2015244）。

作者簡介：

王宇斌（1995-），大學本科，研究方向為電氣工程及其自動化。