基于SI4432無線射頻的遠程液位監控系統

賀洪江;傅世川;易險峰

(葛洲壩易普力重慶力能民爆股份有限公司, 重慶 418300)

0 引 言

隨著科學技術的發展，無線技術在工業現場的應用已經比較成熟，但由于工業現場環境的限制以及應用目的的不一致，導致沒有一種統一的規范能夠滿足不同的應用場合。這導致一方面增加了設備的設計成本，另一方面限制了無線技術在工業現場的使用。

水作為工業現場必要的生產要素之一，不可或缺。但蓄水池往往建在離生產現場較遠的地方。如果通過有線的方式采集水池數據，一方面增加了建造成本和后期維護成本；另一方面對采集數據量及種類也產生了一定的限制，比如，現在只需要采集水池的液位，過一段時間后又需要采集水池溫度，如果采用有線的方式就需要重新布線，而采用無線傳輸方式只需要在程序中多預留幾個通道，就可以滿足后期的生產需要。

針對工業現場存在著各種信號的干擾的情況，因此，是否能夠及時、準確的接收工業現場數據，是限制無線技術在工業現場使用的要素之一。基于SI4432無線射頻芯片的遠程液位監控系統，模塊自動實現CRC校驗，使抗干擾和靈敏度大大地提高；采用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)協議，避免了因通信沖突引起的信道阻塞和數據丟失；再利用調頻管理機制，對射頻網絡頻段進行管理[1]。

針對較偏遠的工業生產現場，數據采集的另一個受限因素是采集系統的供電。該無線液位采集系統采用太陽能板加蓄電池作為供電源，有效地解決了偏遠工業生產現場的傳感器數據采集網絡供電難的問題，節能環保的同時降低了建設成本。

1 下位機的設計

下位機硬件組成包括作為供電源的太陽能板和蓄電池，自帶8通道10位高精度A/D轉換功能的微處理器STC12C5A60S2，輸出為0～5 V電信號的高精度液位變送器和SI4432無線射頻芯片，如圖1所示。

圖1 下位機硬件系統

1.1 電源

該系統采用20 W多晶硅太陽能電池板，最高開路電壓21.64 V，最高短路電流1.16 A，轉換效率達17.5%以上，工作溫度在-50℃～85℃。能夠滿足本系統的要求。

該系統采用12 V電壓等級的太陽能控制器，可以有效的實現電池過沖保護和過放電保護。當蓄電池端電壓高于控制器上的保護設定值時，太陽能控制器將停止對蓄電池充電；當蓄電池電壓低于某個設定值時，太陽能控制器將停止對負載供電，當蓄電池電壓高于低保護設定值時，系統重新恢復供電。過沖保護和過放保護能夠有效保護蓄電池，延長了蓄電池壽命，增加了系統的穩定性。采用12 V7 Ah的后備電池，以便實現液位數據的全時段監控。

1.2 微處理器與液位傳感器

傳統的8051單片機時鐘頻率較高時，ALE腳是一個干擾源，STC12C5A60S2增加了AUXR特殊功能寄存器，直接禁止ALE腳對系統時鐘進行分頻輸出，徹底清除此干擾源，增加了系統的穩定性。

STC12C5A60S2微處理器內部集成MAX810專用復位電路，8路高速10位A/D轉換，轉換速度可達250 kb/s[2]。60 kb系統編程的Flash內存，1280字節的片內RAM，可尋址64 kb地址空間的外部數據存儲器接口，硬件實現的ISP/IPA在線系統可編程/在線應用可編程，可通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序[3]。

本設計采用STC12C5A60S2空閑省電模式，當SI4432模塊正確接收由控制中心發來的控制指令后，置低AUX引腳，該引腳直接和微處理器的外部中斷引腳INT0相連，當外部中斷引腳INT0收到低電平信號時，將微處理器由空閑模式中喚醒，執行20次A/D轉換，并求取20次A/D轉換的平均值，然后通過串口發送給SI4432模塊，傳回至控制中心服務器端，系統將再次進入休眠模式。通過外部中斷喚醒方式，既滿足數據采集的實時性，又達到了節能降耗的作用，延長了系統獨立運行時間。

液位傳感器選用北京港北中天科技有限公司生產的GB2100A型三線制液位變送器，該傳感器的供電電壓為12.36 V，輸出0～5 V直流電壓，測量精度高達0.2%。三線制有線路電阻補償，可以消除引線電阻對測量的影響，提高了測量數據的可信度。

1.3 SI4432無線射頻模塊

SI4432是由Silicon公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段EZRadioPRO系列無線收發芯片[4]。該芯片可提供數據包處理、數據緩沖FIFO、接收信號強度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器等功能的硬件支持。該模塊片上集成了STM8L101處理器，可通過串口在線修改發射功率、射頻速率等各種參數。SI4432輸出功率可達+20 dBm，接收靈敏度達到-121 dBm，射頻前端采用二級高頻放大電路，獨立提供5 V電源，通信距離可達5 km以上，實現了真正意義上的遠距離通信。

該芯片具有前向糾錯機制，利用傳輸冗長信息的方法，當傳輸過程中出現錯誤，能夠在接收端重建數據，大大提高了無線傳輸的可靠性。同時支持載波監聽功能，使用無線防碰撞和硬件物理機制，有效地解決了同周圍無線節點的同頻干擾問題。同時該芯片具有1個字節的地址信息單元，能夠實現信息的定點傳輸，防止其他無線節點被無辜喚醒，進而降低功耗，同時也延長了芯片的使用壽命。

1.4 下位機的軟件實現

軟件是系統的靈魂，一個好的軟件不僅可以增強系統的穩定性，同時可以提升系統的響應速度，降低系統能源消耗。

當下位機搜索到空中的載波信號，并正確接收后通過置低SI4432的AUX引腳，觸發微控制器的外部引腳中斷，要使用外部中斷功能，首先需要對相應的寄存器進行初始化。TCON為定時器/計數器控制寄存器，同時也鎖存T0、T1溢出中斷源和外部請求中斷源[5]。初始化指令如下：IT0=1;EX0=1;EA=1。

通過AUX下降沿將微控制器從空閑模式中喚醒，執行中斷處理程序。

STC12C5A60S2微控制器具有2個采用UART工作方式的全雙工串行通信接口，每個串行口的數據緩沖器由2個相互獨立的接收、發送緩沖器構成，可以同時接收和發送數據[6]。要通過串口與SI4432進行數據交換，需要設置正確的波特率，本次設計采用晶振為11.0952MHz，波特率為9600，對定時器的設置如下：TMOD=0x20;TH1=0xFD;TL1=0xFD;。

STC12C5A60S2在正確接收到SI4432傳送的數據后，對其進行解析。如果要求采集的數據為模塊的供電電壓，微控制器啟動0號AD轉換通道，通過查詢ADC控制寄存器的ADC_FLAG標志位，獲取當前AD轉換的狀態。待轉換結束，可以從A/D轉換結果寄存器ADC_RES和ADC_RESL獲取10位精度的轉換結果。通過該結果可以計算出對應的物理量。具體公式如下：

A/D轉換結果 = (AD轉換高8位數×4+AD轉換低2位數據)×量程/210

將A/D轉換后的結果寫入SBUF，通過串口將數據輸出至SI4432，即可完成數據的回傳過程。

2 上位機的設計

下位機只完成了數據的采集、解析、回傳等任務，要獲取下位機的液位數據，還需要建立與監控中心的數據連接通道。上位機由SI4432模塊、USB轉RS485數據線和工控計算機組成，如圖2所示。

圖2 上位機系統

上位機上安裝的服務器由VB6.0編寫，服務器界面如圖3所示。

圖3 服務器界面

連接在互聯網上面的客戶機，可以通過Internet實現與服務器的數據交換。客戶端如圖4所示。

圖4 客戶端界面

客戶端在輸入正確的服務器IP以后，點擊“連接服務器”按鈕，可以連接至上位機服務器。此時，“電壓值”和“液位值”變為可控狀態。點擊相應的按鈕，客戶端會將控制指令發送給服務器端，服務器端會根據客戶端的控制要求，經判斷后是否轉發給下位機。客戶端如果需要采集高位水池的液位值，服務器在接收到客戶端的請求時，將發送給下位機采集液位控制指令，下位機將采集的液位數據回傳給服務器，服務器再轉發給請求的客戶端，一次采集周期結束。

2.1 服務器的軟件實現

服務器與SI4432無線射頻模塊通過RS485進行數據交換，該協議使用了VB的MSComm控件。要使用串口MSComm控件進行串口通信，需要對其相應的屬性進行設置。通過CommPort屬性設置或返回端口號；Setting屬性設置或返回通信端口的波特率、奇偶校驗、數據位和停止位；發送數據之前要打開相應的端口，通過PortOpen設置或返回通信端口的狀態；Input返回接收緩沖區中的字符串；Output將完成向輸出緩沖區中寫入數據。具體程序如下：

MSComm1.CommPort= 2

MSComm1.OutBufferCount= 0

MSComm1.InBufferCount= 0

MSComm1.InputMode= 0

MSComm1.Settings = "9600,n,8,1"

服務器與客戶端進行數據交換使用了VB的Winsock控件。需要注意的是，客戶端要能夠正常和服務器進行通信，兩者的端口號需要設置一致，同時要避免和其它應用程序端口號重疊。服務器不需要設置IP地址，當客戶端發送連接請求時，自動建立與客戶端的連接通道。服務器在設置端口號后，要通過Listen方法，進行端口監聽，以及時響應客戶端的連接請求。

服務器通過Accept接收客戶端的連接請求，執行該指令后，服務器與客戶端就完成了通信連接，此時就可以通過GetData指令接收客戶端發送的數據，通過SendData指令可以發送數據至客戶端。

3 結 語

傳統的有線傳輸方式布線困難，電信號在遠距離的傳輸過程中信號強度急劇下降，同時也受到工業現場各種電磁信號的干擾，這就大大降低了采集數據的真實性、可靠性。

本系統采用的Si4432無線射頻芯片具有前向糾錯機制。當傳輸中出現錯誤，能夠在接收端再建數據，大大提高無線通信的抗干擾能力。在Si4432前端采用二級放大電路，能夠實現最遠8 km距離的通信。

該系統能夠應用于水庫液位采集與控制；工業現場的溫度采集與控制；家庭樓宇自動化數據交互；無線抄表系統等。

參考文獻：

[1]高仁璟,劉國新,唐禎安.基于Si4432的無線射頻遙控系統設計[J].通信技術,2010,43(226):1￣1.

[2]宋鳳娟,付 侃,薛雅麗.STC12C5A60S2單片機高速A/D轉換方法[J].煤礦機械,2010,31(06):1￣1.

[3]秦相林,張海兵,張盈盈.基于STC12C5A60S2的無線溫度采集系統設計[J].哈爾濱商業大學學報,2011,27(6):2￣2.

[4]郭 亮.基于Si4432的無線射頻收發系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2009,38(11):1￣1.

[5]似水流年.多路數據采集系統畢業設計論文[EB/OL].http://www.docin.com/p-644574058.html,2013￣05.

[6]Meatislitt.基于STC12C5A60S2單片機GPS信號控制系統設計[EB/OL].http://www.doc88.com/p-0048741946789.html,2013￣02.