基于SI4432的智能小区无线传输系统

中北大学计算机与控制工程学院 王宇斌中北大学信息与通信工程学院 秦雁飞 安宇新



基于SI4432的智能小区无线传输系统

中北大学计算机与控制工程学院 王宇斌
中北大学信息与通信工程学院 秦雁飞 安宇新

【摘要】针对大多数小区信息的传输仍使用有线形式，布线缺乏灵活性，设计完成了基于微处理器STM32和RF收发芯片SI4432的智能小区无线网络传输系统。系统采用ACK双向通信、精简CSMA/CA发送机制，增强系统的可靠性，减少由于数据冲突造成的数据丢失现象。在保证数据高效传输的同时，系统还配置了SPI，IIC多重扩展接口，为功能扩展及大系统集成提供了可能。实现了低功耗、小体积、高灵敏度的无线数据传偷。

【关键词】SI4432；智能小区；无线网络传输系统

引言

智能化小区，给住户提供了一个安全、舒适的生活环境，在小区的周边及小区内设置安全防范系统，并在住户家庭内设置可视对讲或不可视对讲、防盗报警探测器、紧急求助和报警按钮、可燃气体探测报警等家庭安全防范系统［1］，设置三表出户计量系统以及电视、电话和计算机网络服务，为住户需求的高速通信提供可能。目前常见的无线网络技术［2］主要有蓝牙、红外线、无线局域网和基于无线通信芯片的自组网技术［3］。蓝牙技术只支持设备短距离通信（一般在10m 以内）且价格较高。红外线通信技术［4］比较大的缺点就是通信设备要在一条直线上，方向性很强，而且中间不能有障碍物。无线局域网技术［5］是计算机网络与无线通信技术结合的产物。虽然组网容易，扩容灵活，但是其应用比较复杂且价格昂贵不宜推广。而一些比较简单的应用场合，比如自动读表，报警和安全系统，家庭自动化，一些环境比较复杂的场合，比如农业应用和工业控制等领域，人们往往选择一些基于简单的微功率无线通信芯片搭建的自组网平台，这样不但成本比较低，而且控制更加可靠灵活。又可以通过通用接口接入计算机网络。另外，微功率无线传感器网络如今也是物联网发展的一个热门的方向，通过一些通用的接口可以很方便的变成物联网的一个个子网或者终端感知网络。我们采用ISM［6］频段的SI4432射频芯片和STM32控制器设计了一种新的无线通信网络传输系统，完成了系统硬件的搭建，无线通信程序及上位机界面的设计。

1　系统组成

本系统针对小区的不同需求开发了三代产品：第一代为简单信号的传输，适用于小区内传感器信号的传输；第二代为语音信息的传输，适用于楼宇对讲；第三代为视频信息的传输，适用于小区可视化管理。

下面我们将第一代产品应用于小区内火灾、煤气的监测，介绍系统的组成、工作原理及实现方式。现有的火灾、煤气监测系统大多数都是以家庭为单位的独立式报警，当住宅无人时，信息得不到及时的传递，导致安全报警系统作用无效，火灾等事故造成的危害进一步增大。部分小区通过有线的方式将火灾、煤气监测的数据传输至物业中心，有线网路由于受到布线的限制，节点设置不灵活，施工周期长，人工成本高，后期维护难度大，不便于后期进行安防扩容及升级改造，制约产品的普及。

基于无线传输的智能小区火灾、煤气监测系统是由部署在监测区域内的大量传感器节点，用于传输的中继节点和物业中心节点组成。

传感器节点是由烟雾、气体传感器、报警器、处理器（MCU）、Si4432和电源五个部分组成。烟雾、气体传感器通过化学反应对煤气和火灾产生的气体、烟雾进行检测。当达到设定浓度时，产生信号触发处理器中断。处理器（MCU）STM32产生中断时，控制报警器报警，并把含有住户地址和报警情况的信息发送至Si4432，控制其进入发射状态。STM32具有储存空间大，处理速度快等优点，便于后期对产品进行语音升级和扩展。Si4432使用FIFO模式，使能CRC校验，以数据包的形式将从MCU接收到的信息发送给中继节点。其工作在434MHZ的频率，接收灵敏度为-118 dBm，输出功率为+20 dBm，传输距离远；接收状态下，电流为18.5mA，发送状态下电流为60mA （20dBm），在同类无线芯片中，功耗最低，在保证了传输范围和穿透能力的情况下，满足了低功耗的要求。电源由干电池供电，系统在待机状态下电流小于10uA，使用寿命长达一年。

中继节点是由处理器（MCU）、Si4432和电源三个部分组成。Si4432在感应到消息时进入接收状态，将信息接收并进入发射状态，发送到邻近中继节点或物业中心节点，成功后保持挂起状态。电源由干电池供电，节点设置灵活。

物业中心节点是由处理器（MCU）、Si4432、报警显示器和电源四个部分组成。Si4432在感应到消息时进入接收状态，将中继节点传来的信息按照传感器节点信息的格式进行解码，将事故发生的地址及类型报警显示通知物业人员。

2　无线网络传输系统

图1　系统网络拓扑图

由于各类节点呈辐射式发射数据，相邻各节点都会接收到信息，进行发射，而发射过消息的节点仍会接收到相同的消息，再次进行发射，使得相同消息在网络中无休止的进行传递，造成系统的混乱，无法正常工作。为此，我们构建了一个单跳或多跳的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。在一个小区中，物业中心按照“xxx.xxx.xxx”的格式给每个用户的传感器节点分配一个固定的地址。传感器节点一直处于挂起状态，只有在接收到传感器传来的中断时，才会进入发射状态，将含有自己地址和事故类型的信息发送给中继节点。通过回传判断发射成功后，再次进入挂起状态。但邻近的传感器节点也会感应到节点传来的消息并产生中断，我们对产生的中断进行处理，使其不进入接收态。当中继节点感应到消息时，会进入接收状态，将信息接收并进入发射状态，发送到邻近的中继节点或物业中心节点，成功后保持挂起状态。中继节点在接收到信息时，对信息进行判断处理，如果接收到相同的信息，则不再进行发送。物业中心节点感应到中继节点发送的信息时，转变为接收态，将中继节点传来的信息按照传感器节点信息的格式进行解码，将事故发生的地址及报警信息显示，通知物业人员，后保持挂起状态。实现各传感器节点之间，传感器与物业中心之间的无线网络连接，并使得该网络系统能够稳定有序的运行。而且由于智能小区火灾、煤气监测系统的各节点在没有事故发生时，始终处于挂起状态，满足了低功耗的要求。

3　硬件电路的设计

控制器为STM32F103VET6，STM32F1系列属于32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3，它的出色的运行速度为系统的稳定运行提供了保障，杰出的功耗控制能让系统维持低功耗状态。传感器节点系统组成如图2所示。

4　软件设计

网络传感器节点的主程序流程图如图3所示。

图2　传感器节点系统组成

图3　传感器节点主程序流程图

程序主要函数为Si4432芯片的初始化，发送函数，接收函数以及SPI、LCD、USART等各个功能函数的初始化。此外，我们也加入反馈函数，使发送机能够了解发送及接收的状态，更加的智能化，便于用户更好的使用。

5　测试结果

产品经测试，达到预期的设想，在空旷的环境下，稳定传输距离可以达到500m，在楼宇内，稳定穿透楼层可以达到6层。

在空旷环境条件下测试结果如表1所示。

表1　Si4432传输成功率与距离的关系

表2　Si4432传输成功率与楼层的关系

6　结语

我们设计的基于微处理器STM32和RF收发芯片SI4432的高性能无线收发应用平台不仅可以由串口、通用IO口和AD转化接口扩展原产品的应用，而且还可以很好地解决系统互联和系统集成方面的问题。同时采用了ACK双向通信、精简CSMA/CA发送机制，来增强系统的可靠性，减少由于数据冲突造成的数据丢失现象，实现了低功耗、小体积、高灵敏度的无线数据传输。

参考文献

［1］邓莹，张丽，刘有源.基于无线传感器网络的智能建筑安防系统研究［J］.中国水运，2007，（5）：133-134.

［2］柴淑娟，赵建平，基于无线传感器网络的水质监测系统的研究［J］.曲阜师范大学学报，2010，（36）：75-77.

［3］孙德辉，龚关飞，杨扬.基于CC2430的无线传感器网络系统设计［J］.现代电子技术，2010，（13）：66-68.

［4］胡道元.信息网络系统集成技术［M］.北京：清华大学出版社，1996.

［5］陈洪楼.住宅小区智能化的规划和研究［D］.大连：大连海事大学，2001.

［6］张瑞武.智能建筑的系统集成及工程实施［M］.北京：清华大学出版社，2000.

基金项目：山西省高等学校大学生创新创业训练项目（2015244）。

作者简介：

王宇斌（1995-），大学本科，研究方向为电气工程及其自动化。