基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程遙控空氣開關(guān)系統(tǒng)

鄒 恩，霍 慶，黃浩揚(yáng)，楊華青

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642）

目前無論在工業(yè)用電還是家庭用電上，空氣開關(guān)發(fā)揮著重要保護(hù)作用，但是空氣開關(guān)不具備定時(shí)跳閘和遙控跳閘的功能，脫離不了人工近距離控制。如果工作人員下班后忘記關(guān)斷用電設(shè)備電源，就必須有能夠接觸到電源開關(guān)的人才能切斷電源；又如需要遠(yuǎn)距離緊急關(guān)斷建筑內(nèi)所有用電設(shè)備，或者在下班后定時(shí)斷電，讓在場(chǎng)人員自覺離場(chǎng)，這都需要人工操作[1]。

目前市場(chǎng)上的常用遙控開關(guān)多為基于短距離電磁波或以太網(wǎng)傳輸形式，缺點(diǎn)是傳輸距離短、對(duì)遙控設(shè)備的功率有限制、功能單一等。隨著全球移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，GSM無線通訊技術(shù)的短信息（SMS）因其具備隨時(shí)在線、廣范圍覆蓋性、可靠性高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)通訊設(shè)備[2]。

本文提出一種不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，利用手機(jī)遙控實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)跳閘、指定時(shí)間合閘的空氣開關(guān)控制系統(tǒng)，開關(guān)通斷的時(shí)間點(diǎn)可通過手機(jī)鍵盤實(shí)時(shí)修改。目前該系統(tǒng)已通過用戶的驗(yàn)收，應(yīng)用在建筑中可方便用電的規(guī)范管理。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程遙控空氣開關(guān)系統(tǒng)包括手機(jī)端發(fā)射模塊、GSM接收模塊、主控芯片STC12C5052AD、繼電器模塊、空氣開關(guān)模塊、時(shí)鐘模塊。首先在單片機(jī)程序中設(shè)置唯一可以控制該裝置的手機(jī)號(hào)碼，由該號(hào)碼手機(jī)端發(fā)射模塊發(fā)出一組可識(shí)別的信息，可控制空氣開關(guān)定時(shí)和隨時(shí)跳閘。每次空氣開關(guān)動(dòng)作后系統(tǒng)發(fā)送空氣開關(guān)的狀態(tài)信息到手機(jī)上，手機(jī)用戶能夠?qū)崟r(shí)獲取反饋信息，了解系統(tǒng)是否正常工作。SIM卡中短信的數(shù)量達(dá)到50條后，單片機(jī)發(fā)送清除短信命令以保證GSM模塊正常運(yùn)作，從而確保整個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

時(shí)鐘模塊PCF8563提供時(shí)鐘信號(hào)，并且GSM模塊接收信息時(shí)單片機(jī)獲取移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)端的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，校正時(shí)鐘芯片的時(shí)間，保證時(shí)間的準(zhǔn)確性；通過主控芯片設(shè)定的時(shí)間與時(shí)鐘模塊時(shí)間做比較，發(fā)出控制命令，且該設(shè)定時(shí)間可由手機(jī)信號(hào)命令隨時(shí)修改，每次修改后的時(shí)間和空氣開關(guān)的狀態(tài)保存在單片機(jī)自帶的E2PROM中，保證系統(tǒng)斷電后保持上一次空氣開關(guān)的狀態(tài)，滿足定時(shí)控制空氣開關(guān)的要求。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of control system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要包括：MCU單片機(jī)模塊、GSM模塊、時(shí)鐘模塊、繼電器模塊、空氣開關(guān)模塊5部分。

2.1 主控芯片選型

本系統(tǒng)選用STC12C5052AD單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，是一款單時(shí)鐘、機(jī)器周期和低功耗的單片機(jī)。工作電壓范圍2.4～3.8 V；用戶可利用的程序空間高達(dá)5 K字節(jié)；片上集成了256字節(jié)的RAM；支持ISP（在系統(tǒng)可編程）和IAP（在應(yīng)用可編程）[3]。

2.2 單片機(jī)核心控制模塊

單片機(jī)核心控制模塊的設(shè)計(jì)主要包括MCU單片機(jī)的最小系統(tǒng)與時(shí)鐘芯片、GSM模塊、繼電器的連接設(shè)計(jì)。其中P3.0、P3.1作為與GSM模塊通信的串口；P3.5為采用三極管9013驅(qū)動(dòng)的繼電器引出端；P1.5和P1.4分別作為時(shí)鐘芯片PCF8563的I2C通信的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線；單片機(jī)外接11.0592MHz晶振，保證時(shí)鐘準(zhǔn)確；主控電路原理如圖2所示。

2.3 GSM通信模塊

本系統(tǒng)使用的是Siemens公司生產(chǎn)的TC35I模塊，TC35I集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，可在計(jì)算機(jī)上用AT指令通過串口發(fā)送命令進(jìn)行設(shè)置，這使它成為在數(shù)據(jù)通訊上通用的一個(gè)GSM終端產(chǎn)品[4]。該模塊主要由兩部分電路組成：TC35I電路和SIM卡電路。

2.4 時(shí)鐘模塊

PCF8563芯片外接32.768 kHz晶振，保證走時(shí)準(zhǔn)確，掉電保護(hù)電路由BT1、D1和D2構(gòu)成，滿足芯片連續(xù)工作。時(shí)鐘線SCL與單片機(jī)的P1.4連接，數(shù)據(jù)線SDA與單片機(jī)的P1.5連接。時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線分別用一個(gè)上拉電阻與正電源相連，其數(shù)據(jù)只有在總線不忙時(shí)才可傳送[5]。時(shí)鐘模塊如圖3所示。

圖3 PCF8563電路圖Fig.3 Circuit diagram of PCF8563

2.5 繼電器模塊

繼電器是一種電子控制器件，可用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”，故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器模塊采用SRD-5VDC-SL-C松樂繼電器，工作電壓為DC5V，可控制AC220V的用電設(shè)備，用于控制空氣開關(guān)跳閘，繼電器電路如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路Fig.4 Circuit of relay

COM1口與單片機(jī)的P3.5腳相連，當(dāng)該口輸出高電平時(shí)，繼電器從常開狀態(tài)轉(zhuǎn)為常閉狀態(tài)；輸出低電平時(shí)，繼電器從常閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)。

2.6 空氣開關(guān)模塊

選用正泰空氣開關(guān)DZ47LE，該開關(guān)采用VG54123芯片構(gòu)成漏電保護(hù)器，具有漏電、過流保護(hù)等功能[6]，空氣開關(guān)內(nèi)部電路如圖5所示。

圖5 空氣開關(guān)內(nèi)部電路圖Fig.5 Circuit diagram of air automatic sw itch

D1-D4為整流橋，KM為繼電器，SB為常開按鈕，ZTA為零序電流互感器，監(jiān)測(cè)漏電流，SCR為晶閘管，虛線框內(nèi)為VG54123芯片的內(nèi)部電路圖。當(dāng)SB按鈕按下時(shí)，空氣開關(guān)自動(dòng)跳閘。基于這個(gè)原理，繼電器的輸出回路與SB按鈕并聯(lián)，通過繼電器的閉合來控制空氣開關(guān)跳閘，形成一種新型可遙控的開關(guān)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要使用C51語言編程，在Keil uVision4環(huán)境下調(diào)試完成。程序主要包括硬件初始化程序，GSM模塊程序，PCF8563時(shí)鐘芯片程序和中斷服務(wù)程序。GSM模塊程序接收手機(jī)端發(fā)送的信息并回顯給MCU；時(shí)鐘芯片程序主要是向MCU提供時(shí)鐘信號(hào)，MCU處理時(shí)鐘信號(hào)后實(shí)現(xiàn)定時(shí)跳閘；中斷服務(wù)程序包括手機(jī)信號(hào)內(nèi)容的截取和處理。

3.1 程序設(shè)計(jì)

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖6所示，主要進(jìn)行STC12C5052AD和GSM模塊初始化。單片機(jī)的初始化包括串口、定時(shí)器、IO端口等；GSM模塊初始化包括將短信息收發(fā)控制模式設(shè)置為Text模式，設(shè)置短消息服務(wù)中心為廣東移動(dòng)和設(shè)定為串口回顯模式；等待30 s，GSM成功搜索網(wǎng)絡(luò)后系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式開始等待中斷。另外，時(shí)鐘芯片提供時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)處于時(shí)間檢測(cè)狀態(tài)。若設(shè)定跳閘時(shí)間為下午5點(diǎn)，則空氣開關(guān)自動(dòng)跳閘，若設(shè)定允許合閘時(shí)間為早上7點(diǎn)，則在該時(shí)刻允許合閘，并把系統(tǒng)的在線狀態(tài)以短信形式返回手機(jī)用戶，避免因網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好導(dǎo)致系統(tǒng)沒執(zhí)行動(dòng)作而用戶不知的情況。中斷到來，執(zhí)行中斷子程序，否則一直檢測(cè)時(shí)間。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of master program

圖7 中斷子程序流程圖Fig.7 Flow chart of interrupt function

3.1.2 中斷子程序設(shè)計(jì)

中斷子程序的內(nèi)容主要是接收特定號(hào)碼手機(jī)的信息，并把信息的內(nèi)容提取便于單片機(jī)處理，滿足各種手機(jī)命令操作。中斷子程序流程如圖7所示，首先判斷是否收到特定手機(jī)號(hào)碼的信息，然后GSM模塊回顯短信內(nèi)容到單片機(jī)，單片機(jī)截取該條短信的序號(hào)并發(fā)送讀取命令，如讀取內(nèi)容為“open”，則單片機(jī) P3.5 置 1；如讀取內(nèi)容為“setopentime：17：00”，則設(shè)定空氣開關(guān)跳閘時(shí)間為17：00。

3.2 無線模塊TC35I的軟件分析

3.2.1 AT指令分析

短信息的解碼和編碼是軟件編程的核心。AT命令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是調(diào)制解調(diào)可以識(shí)別并執(zhí)行的命令[7]。通過串口通信，單片機(jī)可以向模塊發(fā)送一系列AT指令控制該模塊。發(fā)送的指令和接收的指令均為字符的ASCII碼，在單片機(jī)編程中需注意字符串的轉(zhuǎn)換。

程序開始時(shí)，需要發(fā)送指令將TC35I初始化，其中"AT+CNMI=1，1，2 "用于設(shè)置短消息到來時(shí)自動(dòng)回顯；"AT+CMGF=1 "，設(shè)置Text編碼模式，在Text模式下，發(fā)送和接收信息都是文本格式；"AT+CSCA=+8613800200500 "設(shè)置短消息服務(wù)中心地址；發(fā)送完3條指令后GSM初始化完畢。

若有新的短消息到來，則GSM模塊自動(dòng)向串口發(fā)送“+CMTI：‘SM’＜Number＞”，其中 Number為短信的序號(hào)；此時(shí)單片機(jī)進(jìn)入中斷狀態(tài)，構(gòu)造AT指令“AT+CMGR=＜Number＞ ”并發(fā)送；此時(shí) GSM 模塊將回顯短消息服務(wù)中心地址、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及消息發(fā)送的時(shí)間等，程序從回顯信息中截取實(shí)際需要的內(nèi)容，如短信上的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間和控制命令，從SIM卡中讀出消息并處理后，考慮到SIM的短信容量為50條，發(fā)送“AT+CMGS=＜Number＞ ”將消息刪除。

3.2.2 GSM通訊的特殊情況處理

GSM在斷電情況下，模塊可能接收移動(dòng)客戶端的非期望短信，此時(shí)SIM卡會(huì)積累多條信息，按照上述短信到來的狀況，實(shí)時(shí)已經(jīng)不能符合要求，在此程序設(shè)計(jì)中增加判斷短信條數(shù)后執(zhí)行循環(huán)指令“AT+CMGS=＜i＞ ”，變量 i從 0～20 依次取值，刪除前20條短信。另外在正常工作的狀態(tài)下突然斷電，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)復(fù)位，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)置的定時(shí)跳閘時(shí)間丟失。考慮到上電系統(tǒng)需保持上次設(shè)定時(shí)間，每次設(shè)置的時(shí)間都存入單片機(jī)自帶的E2PROM中，在程序初始化中調(diào)用E2PROM，讀取上次設(shè)定的時(shí)間，保證每次上電系統(tǒng)保持上一次設(shè)定時(shí)間。

4 結(jié)語

本文搭建了一套基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程遙控空氣開關(guān)系統(tǒng)，可不受時(shí)空限制，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)和定時(shí)跳閘，并可通過手機(jī)終端發(fā)射信號(hào)修改跳閘時(shí)間點(diǎn)，能夠?yàn)橛秒姽芾硖峁┍憷?。系統(tǒng)利用現(xiàn)有的GSM無線網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)能夠覆蓋半徑最大35 km，克服傳統(tǒng)無線開關(guān)控制距離短，控制用電器功率有限制等缺點(diǎn)，并且擺脫傳統(tǒng)開關(guān)只有手動(dòng)控制，增加定時(shí)跳閘功能。此外，本設(shè)計(jì)還可用于宿舍用電管理和智能家居遠(yuǎn)程管理等。

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