基于Si4432的无线射频遥控系统设计

高仁璟， 刘国新， 唐祯安

（大连理工大学 电子信息与电气工程学部，辽宁 大连 116023）

0 引言

随着半导体技术的发展和各种各样的射频集成芯片的大量涌现，射频技术在现代生产和生活中的应用越来越广泛。射频技术在无线监测、远程控制等领域有非常重要的应用[1]。与传统的有线传输方式相比，射频传输具有安装与维护方便、价格低廉、适用于复杂地理条件等优点。

然而，实际的应用环境中，经常会有各种各样的射频网络在运行。如何实现射频网络管理，避免网络冲突，保证数据正确传输便成为射频技术应用中非常重要的环节。现将Zigbee协议的网络管理方式，应用于基于Si4432的无线射频遥控系统中，并根据实际情况对协议进行简化，保证了系统的可靠运行。

1 无线射频遥控系统的体系结构

射频遥控系统的整体框图如图1所示。系统由一个主节点、多个路由节点（从节点）及手持移动遥控设备（移动节点）组成。主节点主要实现网络的建立和管理、数据的转发功能以及向控制系统发送控制命令。路由节点实现入网及网络维护、数据转发功能。手持设备用于入网和发送控制命令。主节点和路由节点由主电源供电，一直处于工作状态；手持设备由电池供电，大部分时间处于休眠或关闭状态。

图1 射频遥控系统整体框

2 基于Si4432无线射频系统硬件设计

图 2所示为系统的硬件结构图，其中图 2(a)为移动节点的结构图，图 2(b)为路由节点和主节点的结构图。主节点和移动节点均采用高性能、低功耗的 8 位AVR 系列的单片机[2]。考虑移动节点是电池供电，为了延长供电时间，采用低功耗的ATmega168芯片。主节点采用ATmega32芯片。射频收发采用的是Silicon Labs公司的Si4432芯片，该芯片集成度高、体积小、功耗低，具有-118dBm的超高灵敏度，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。其工作频段范围为240～930 MHz，最高输出功率可达+20 dBm，传输距离远。Si4432内部集成了天线分集、休眠唤醒定时器、64字节收发 FIFO等功能，同时，Si4432芯片还具有跳频和信道信号强度评估功能[3]。其外围电路仅需要一个30 MHz晶振及几个电阻、电容、电感等，电路设计简单、成本低廉。AVR单片机与Si4432芯片通过标准的串行接口（SPI）相连。单片机通过SPI口配置Si4432内部寄存器和实现数据的读写。Si4432的TX引脚为射频信号发送端，RXp、RXn引脚为差分信号接收端，射频信号的发射和接收端通过RF开关芯片UPG2214与天线相连。

为了提高系统的实用性，路由节点增加了串口，为系统功能扩展奠定了基础。移动节点增加了液晶显示，显示各节点的工作状态以及信号强度；同时，移动节点还配有多个按键，或用于发送控制命令，或用于发送网络测试命令。

3 系统软件设计

3.1 系统通信的数据帧格式

本系统采用EZMac协议定义的帧格式进行通信，EZMac帧结构如表1所示。

表1 EZMac帧结构

每次发送数据必须以AA为前导码，否则外部接收装置无法接收数据。前导码至少要有3个字节。D0到Dn是净荷，不超过16个字节。2D、D4是同步模式的标志码。CID（用户ID）位用于避免邻近的不同系统使用EZMac而产生的干扰。SID（发送方ID）位和DID（目的地ID）位用于唯一标识数据通信设备。PL（包长）位使用于传输的数据包长度需要动态变化时。CRC（循环冗余码）位用于识别数据包中是否有错误的数据位[4]。当接收数据时，数据包过滤是实时的，这样 EZMac可以尽早剔除无效的数据包。数据包的实时过滤节约了资源，在某些情况下可显著减少浪费在处理无效数据包进程上的资源。

3.2 各节点功能实现

系统中各节点的软件由硬件管理层、数据管理层、应用管理层、网络管理层四部分组成。硬件管理层实现单片机的初始化、Si4432初始化、按键等外设管理。数据管理层主要对数据进行处理，它与硬件管理层、网络管理层及应用管理层都存在数据接口。数据管理层与硬件管理层进行无线收发数据交换，与网络管理层和应用层进行命令数据交换。为加快程序的响应速度，各层之间的消息传递主要通过置位标志位的方式实现。应用管理层主要实现用户自定义的功能。网络管理层主要用于实现网络管理功能，节点类型不同，其实现的功能也不同。各节点网络管理层的功能为：

（1）主节点

主节点实现组网及网络管理功能。为避免因节点复位造成网络故障，本系统充分利用了单片机的 EEPROM 数据存储区。

主节点的组网过程：读取EEPROM区的网络参数数值，包括组网频段、网络ID值、子节点ID值（主节点的ID值设为0x00，广播地址的值设为0xFF）。主节点对设定频段进行一段时间的侦听，如果未发现有同频的其他网络存在，则确定本频段为网络建立频段；若发现存在其他网络则进行跳频管理，将网络频段调至相邻频段，同时将新的频段值存入EEPROM区。

主节点网络管理：主节点组网完成后，等待其他节点加入网络。当主节点收到子节点入网请求后，向子节点发送入网确认消息，同时将子节点的地址存储于EEPROM中的网络拓扑管理区。若某一子节点长时间未响应，则主节点将其从网络中剔除。在网络运行过程中，若主节点发现其他网络在同一频段运行，则向全网发送跳频命令，同时更改网络频段。

（2）路由节点

路由节点主要实现入网、网络管理、数据转发等功能。

路由节点入网过程：读取EEPROM内网络参数数值，包括网络ID，本节点ID，父节点ID，子节点ID，网络频段值。在设定频段内发送入网请求，收到入网确认消息后，将新的网络拓扑参数存入EEPROM网络拓扑管理区。若路由节点长时间未收到入网确认消息，则自动跳至下一频段搜索网络。

路由节点网络管理：路由节点动态监测网络状态，当路由节点收到子节点入网请求时，发送确认消息，并将子节点的ID值存入EEPROM网络拓扑管理区；当路由节点的父节点丢失时，则寻找新的父节点重新入网。同时，路由节点也具备网络侦听功能，当路由节点发现同频段其他网络运行时，向主节点发送网络冲突消息。

本系统中，路由节点作为数据的中转站，同时具有数据暂存功能，即当发往某节点的数据暂时无法收到确认消息时，路由节点将其暂存，等待节点重新入网后再传递数据，长时间无响应时则删除数据。

（3）移动节点

手持设备作为移动节点，无路由和数据转发功能，采用电池供电。移动节点的主要功能是入网和发送控制命令，为了省电通常处于休眠状态。

3.3 系统各节点的程序流程

系统各节点的程序流程：

①硬件初始化：包括单片机初始化，Si4432初始化，其他外设初始化。

②网络初始化：主节点发起网络，路由节点和移动节点进行信道扫描并加入网络；

③用户自定义功能初始化；

④程序进入循环工作状态，检测各层标志位状态，当标志位状态改变时，则调用相应的函数进行处理。

3.4 冲突避免机制

当多个节点间进行数据传递时，有可能发生通信冲突，造成信道阻塞，数据丢失。为避免这种状况出现，这里借鉴了CSMA/CA协议方式，在一个广播形式的网络中，当一个节点发送消息时，网络中覆盖范围内所有的节点都能接收到，容易形成数据阻塞，导致网络速度变慢，甚至瘫痪。为了避免数据传输中的碰撞和重复发送，无线网络中采用CSMA/CA协议，当一个节点要发送数据时，首先侦听信道是否空闲，如果空闲则立即发送数据，否则暂时不发送，退避一段时间，继续侦听[5]。该协议能够实现通信信道的合理利用。

CSMA/CA协议有三种检测信道空闲的方式：能量检测（ED）、载波检测（CS）以及能量载波混合检测。这里采用能量检测的方式，当节点要发送数据时，首先检测 Si4432的RSSI寄存器的值，以检测信道能量值，当RSSI值大于某一阈值时不进行数据发送，退避一段时间，继续检测，直至将数据发出。

3.5 跳频机制

现利用跳频管理机制，对射频网络频段进行管理。Si4432频段管理寄存器分为两种，一种是载波发生器，另一种是跳频（FHSS）管理寄存器。载波发生器用于设置Si4432的基础频率（Fnom）；跳频管理寄存器用于设置跳频参数。跳频管理寄存器由跳频频道（fhch）选择和跳频步长（fhs）设置两个寄存器组成。Si4432载波频率计算式为：

由式（1）可知，当设置好调频步长（fhs）后，可以通过改变跳频频道选择寄存器的数值（fhch）来实现跳频功能。

4 系统功能验证

首先，验证主节点的组网功能。开启一个干扰网络，然后给主节点上电。当主节点信道扫描时间设置合理时，系统能够检测到网络冲突，并进行跳频。

然后，验证各节点网络管理功能。开启路由节点，路由节点进行信道扫描，在主节点工作的频段向主节点发送入网请求，主节点发送确认消息并在液晶模块上显示路由节点状态。实验证明，主节点能够监测路由节点入网及离网状态。网络运行过程中引入干扰网络时，主节点能够实行跳频 管理。

在数据冲突验证中，当各节点组成链状网时，数据发送正常。当组成Mesh状网时，会出现数据冲突现象。将各节点的CSMA/CA退避时间设置为不同值时，能够有效降低冲突发生率。

5 结语

在无线技术应用中，为射频网络添加网络管理功能，能够有效的避免网间冲突，防止数据丢失，网络瘫痪等故障，大大提高数据的传输效率。

相比于传统的有线控制系统，本系统体积小，安装方便，功耗低，无线传输性能优越；机械复杂度低，出现故障，易于查找故障点，更换、维修方便；工业现场往往存在各种供电线路、控制线路等，电路极其复杂，采用本射频控制系统，能够极大地降低电路复杂度，降低安全隐患。系统已成功应用于冶金、水泥等行业，实现了控制信号的无线传输。

[1] 罗春彬, 彭龑, 易彬. RFID技术发展与应用[J]. 通信技术, 2009,42(12)： 112-114.

[2] 沈文, LEE Eagle, 詹卫前. AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京： 清华大学出版社, 2003： 2-3.

[3] Silicon Laboratories. Si4432 ISM transceiver DataSheet rev 0.3[EB/OL]. (2010-01-12) [2010-03-08]. http：//www.silabs.com.

[4] 刘希若, 罗志祥. EZMac协议原理与应用[J]. 计算机与数字工程,2007, 35(07)： 98-99.

[5] Zigbee Alliance. Zigbee Document 053474r17： Zigbee specification[EB/OL]. (2010-01-12) [2010-03-08]. http：//www.zigbee.org/.