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基于Si4432的无线热网监测系统设计

导读: 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。

  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。

 

图1 Si4432芯片引脚图

  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。

 

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