摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國(guó)的照明用電也日益增大，但照明用電以低效照明為主，極大地浪費(fèi)了電資源，因此給現(xiàn)有照明系統(tǒng)加配節(jié)電控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。為滿足照明設(shè)備節(jié)電需求設(shè)計(jì)了基于GSM短消息控制的智能照明節(jié)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能是利用微處理器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)并處理分析，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將電網(wǎng)參數(shù)以短消息上報(bào)監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心調(diào)控施加在照明設(shè)備上的電壓，實(shí)現(xiàn)降壓節(jié)能的目的。重點(diǎn)論述了智能照明節(jié)電系統(tǒng)如何借助GSM模塊，將電網(wǎng)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等編輯成短消息，利用串口通訊實(shí)現(xiàn)與微處理器之間的短消息收發(fā)，解析收到的內(nèi)容并進(jìn)行相應(yīng)操作，達(dá)到控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的目的。

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關(guān)鍵詞：GSM；短消息；智能照明；節(jié)電系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-120-03

Design of Intelligent Lighting Energy-Saving System Based on GSM Short Message Control

TUO Hui

(Shaanxi University of Technology，Hanzhong，723003，China)

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Abstract：With the development of economy，the country′s electricity consumption is growing sharply，but the main of lighting is inefficient which waste a huge of electricity recourses，so it is urgent affairs to improve the existing lighting systems with energy-saving control system .In order to satisfy the requirement of saving energy，this paper designs a energy-saving lighting system which based on the GSM Intelligent Short Message control.The function of the system is achieved by the use of microprocessor to detect and analyze the power grid voltage，andthrough the GSM network，the power grid parametersis reportedto monitor center in the form of short message，and the voltage of lighting equipment is controlled by the monitor center，then the objective of energy savingis achieved .The paper emphasizes that the intelligent lighting how to use the GSM module to edit the power grid parameters and running state into short message，and carries out the short message receiving with microprocessors by serial communication，andanalyzes the content of short messages and implement the corresponding operation，then the purpose ofcontrol system is achieved.

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Keywords：GSM；short message； illumination of aptitude；energy-saving system

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1 引 言

目前我國(guó)城鎮(zhèn)、高速公路的照明工程不斷增加，照明電能消費(fèi)急劇上升，雖然我國(guó)燈具采用了新型光源，發(fā)光效率較高，但是現(xiàn)有的照明系統(tǒng)比較陳舊，總的能源使用效率依舊比較低^[1]，因此設(shè)計(jì)智能照明節(jié)電控制裝置是當(dāng)務(wù)之急。本文設(shè)計(jì)的照明節(jié)電控制裝置采用微處理器控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集輸入電壓信號(hào)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證輸出較理想的照明系統(tǒng)工作電壓。該節(jié)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護(hù)電光源、降低電能消耗的功能。

照明節(jié)電控制裝置中控制系統(tǒng)和監(jiān)控中心的通信由GSM模塊利用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。GSM網(wǎng)絡(luò)具有盲區(qū)少、信號(hào)好、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)漫游的特點(diǎn)，特別是GSM的短信息服務(wù)，靈活方便，可以自動(dòng)漫游傳送，而且發(fā)送按條計(jì)費(fèi)，低廉可靠。

2 智能照明節(jié)電系統(tǒng)工作原理

城市的路燈大多采用氣體放電燈具，而氣體放電燈的物理特性就是啟動(dòng)時(shí)的正常工作電壓加上啟動(dòng)器產(chǎn)生高壓而使氣體放電點(diǎn)亮燈具，燈具點(diǎn)亮之后適當(dāng)降低并穩(wěn)定供電電壓，但不影響燈具的照明。

本文設(shè)計(jì)的節(jié)電控制器便是利用降壓節(jié)電原理，在照明設(shè)備加電啟動(dòng)階段，以電網(wǎng)電壓直接輸出，等燈具運(yùn)行穩(wěn)定后將電網(wǎng)電壓依次降到200 V，190 V低電壓輸出。

節(jié)電控制器的工作過(guò)程：節(jié)電器開(kāi)始工作后，首先以電網(wǎng)電壓在預(yù)設(shè)的啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行；啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間過(guò)后，節(jié)電器的輸出電壓下降至200 V，并保持這一電壓穩(wěn)定運(yùn)行；再經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間后，節(jié)電器的輸出電壓下降至190 V，并一直保持這一電壓穩(wěn)定運(yùn)行。節(jié)電器的這三種工作狀態(tài)被稱(chēng)為直通、節(jié)電一和節(jié)電二。當(dāng)節(jié)電器工作狀態(tài)設(shè)置改變或節(jié)電控制信號(hào)斷開(kāi)，輸出電壓將改變?yōu)樾碌墓?jié)電水平或恢復(fù)為電網(wǎng)電壓直接輸出。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

照明節(jié)電裝置是實(shí)現(xiàn)照明用電自動(dòng)控制的重要終端設(shè)備，通常安裝在照明用電進(jìn)線端，經(jīng)過(guò)節(jié)電系統(tǒng)將電壓施加在照明設(shè)備上。本文的智能節(jié)電裝置的設(shè)計(jì)要求就是：能夠適應(yīng)電網(wǎng)供電電壓各個(gè)時(shí)間段差異比較大的現(xiàn)狀，可以分時(shí)段控制輸出電壓；節(jié)電系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，如果出現(xiàn)意外情況，能夠直接從電網(wǎng)輸出電壓。

智能照明節(jié)電系統(tǒng)的硬件總體由處理器、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換電路、GSM模塊、溫度測(cè)量裝置和降壓執(zhí)行裝置等組成^[2]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想就是由89C52單片機(jī)作為處理器，完成檢測(cè)照明回路的電壓、電流值以及現(xiàn)場(chǎng)顯示，通過(guò)GSM模塊將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)監(jiān)控中心，并根據(jù)程序預(yù)先設(shè)定、或者鍵盤(pán)輸入或者監(jiān)控中心設(shè)定對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，控制執(zhí)行電路對(duì)電網(wǎng)的輸出電壓實(shí)時(shí)調(diào)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：

市電照明網(wǎng)絡(luò)電壓、電流的采集與轉(zhuǎn)換電路 智能照明節(jié)電系統(tǒng)要根據(jù)電網(wǎng)的電壓和電流的變化做出相應(yīng)的判斷和處理，所以電壓和電流的采集必不可少。電壓采樣通過(guò)變壓器采集電網(wǎng)電壓，電流采樣選用電流互感器作為電流檢測(cè)元件。采樣到的電壓、電流經(jīng)整流、轉(zhuǎn)換、濾波后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809作為他的兩路輸入信號(hào)，ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)線EOC接至單片機(jī)的INT1，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中讀出電壓、電流采樣值。

GSM模塊的選擇 該系統(tǒng)的GSM模塊選擇西門(mén)子公司生產(chǎn)的MC35i模塊，他是專(zhuān)為GSM/GPRS通信設(shè)計(jì)的專(zhuān)用雙模塊，工作于EGSM900和GSM1800頻段，在3.5～4.8 V范圍均能正常工作，AT指令直接控制。單片機(jī)與GSM模塊通信通過(guò)串口發(fā)送AT命令完成。MC35i模塊與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

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圖2 MC35i模塊與單片機(jī)的接口電路

注意單片機(jī)與MC35i串口不能直接相連，因?yàn)?9C52管腳為5 V標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，而MC35i電平較低，為3 V左右。為解決電平接口不一致的問(wèn)題，同時(shí)避免板間干擾、提高系統(tǒng)通信的靈活性和可擴(kuò)展性，節(jié)電系統(tǒng)中在單片機(jī)和GSM模塊之間加了一個(gè)MAX232電平轉(zhuǎn)換電路。

下面重點(diǎn)論述控制系統(tǒng)中微處理器與GSM之間如何實(shí)現(xiàn)短消息收發(fā)。

4 短消息分析與實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)軟件控制短信息的編輯和收發(fā)，我們有必要先分析一下短消息的格式，然后再確定如何通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)。

4.1 短消息分析

短消息的發(fā)送和接收控制共有三種模式：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。其中只有PDU模式可以用于中英文短消息傳送，但因?yàn)橛芯幋a、解碼過(guò)程，所以較Text模式復(fù)雜。由于PDU模式有很好的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)格式，并對(duì)中文有很好的支持，PDU模式在GSM移動(dòng)設(shè)備中使用最為普遍，現(xiàn)在各大網(wǎng)絡(luò)公司都采用PDU模式來(lái)進(jìn)行短消息的處理。

根據(jù)GSM07.05的定義，只要終端通過(guò)UART接口向GSM模塊發(fā)送AT命令，就可以直接讀取收到的PDU模式的短消息。PDU模式的數(shù)據(jù)表面上看是一串ASCII碼，由‘0’~‘9’，‘A’~‘F’這些數(shù)字和字母組成，他們是8位字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)。PDU數(shù)據(jù)不僅包含可顯示的消息本身，還以固定格式包含很多其他消息，如SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式^[3]和服務(wù)時(shí)間等。

目前國(guó)內(nèi)漢字顯示采用GB-2313編碼，而GSM標(biāo)準(zhǔn)中中文編碼采用UTF-8編碼，因此處理短消息時(shí)需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換，才能與采用GB-2313漢字庫(kù)相配合顯示漢字字型。

由于UTF-8編碼和GB-2313漢字庫(kù)之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因此嵌入式系統(tǒng)中只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面給出一個(gè)由UTF-8編碼到GB-2313編碼轉(zhuǎn)換的算法。

首先在存儲(chǔ)區(qū)建立UTF-8和GB-2313兩個(gè)編碼表，然后進(jìn)行軟件解碼。每次從PDU模式的短消息數(shù)據(jù)串的用戶數(shù)據(jù)段取出兩個(gè)字節(jié)，采用二分法快速數(shù)據(jù)查找算法，在UTF-8編碼表中找到編碼所對(duì)應(yīng)的位置，然后在GB-2313編碼表對(duì)應(yīng)位置上讀出短信內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的GB-2313編碼。相應(yīng)的軟件流程如圖3所示。二分法的最壞查找次數(shù)為lg2(n+1)，UTF-8表的長(zhǎng)度n為7 445，所以最壞情況查找次數(shù)為13次，即一個(gè)中文編碼由UTF-8到GB-2313的轉(zhuǎn)換最多經(jīng)過(guò)13次比較查找就可完成。這比采用簡(jiǎn)單的順序查表快地多，大大減少了查表所花費(fèi)的時(shí)間，非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。

圖3 UTF-8編碼到GB-2313編碼轉(zhuǎn)換流程圖

4.2 使用AT命令實(shí)現(xiàn)短消息收發(fā)

4.2.1 AT命令

AT命令是賀氏公司推出的一套Modem操作命令集，是Modem通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，他的功能包括配置Modem與軟件共同工作、與遠(yuǎn)程系統(tǒng)通信、發(fā)起或應(yīng)答一個(gè)呼叫等。AT命令以AT開(kāi)頭，回車(chē)鍵結(jié)尾，前綴AT用于通知Modem注意檢測(cè)計(jì)算機(jī)串口發(fā)送信號(hào)。現(xiàn)在市場(chǎng)上提供的可二次開(kāi)發(fā)的GSM模塊都支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令。通過(guò)UART串行接口直接向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)GSM短信息的收發(fā)、查詢和管理。

4.2.2 使用AT命令發(fā)送短消息

對(duì)GSM模塊的操作均采用AT指令，指令內(nèi)容均為ASCII碼。例如要發(fā)送字符“Hello!”到手機(jī)13579830162中，可采用PDU模式發(fā)送。

發(fā)送AT+CMGF＝0:選擇短消息格式為PDU模式;

發(fā)送AT+CSMS＝0:檢測(cè)模塊是否支持SMS命令;

發(fā)送AT+CMGS＝20:發(fā)送信息有20個(gè)字節(jié)，不含短信中心信息長(zhǎng)度;

發(fā)送 08 91 683108200905F0 11 00 0D 91 683135121053F7 00 00 01 06 C8329BFD0E01

其內(nèi)容含義是：SMSC信息長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，為國(guó)際格式，號(hào)碼8613800290500；被叫號(hào)碼長(zhǎng)13位，國(guó)際格式，是8613532101357；普通GSM類(lèi)型，點(diǎn)到點(diǎn)方式；7位編碼；信息保留10分鐘；信息長(zhǎng)度為6個(gè)字符；信息為“Hello!”。

4.2.3 使用AT命令接收短消息

由于短消息在傳輸過(guò)程中有時(shí)延，所以短消息的到達(dá)時(shí)間是不確定的。因此必須設(shè)定短消息到達(dá)提示命令，并定時(shí)檢測(cè)，這些可以通過(guò)AT命令在GSM模塊啟動(dòng)后設(shè)置。

設(shè)定短消息到達(dá)后自動(dòng)提示的AT命令為AT+CNMI＝3，1，0，0，0。當(dāng)短消息到達(dá)時(shí)會(huì)收到＋CMTI：“SM”，index的提示消息，其中＋CMTI為提示信息的幀頭，“SM”，表示短消息的存儲(chǔ)序號(hào)，可以根據(jù)序號(hào)到給定的存儲(chǔ)區(qū)將短消息讀出來(lái)。

5 短消息收發(fā)的通信軟件設(shè)計(jì)

節(jié)電系統(tǒng)中單片機(jī)通過(guò)串口和GSM模塊連接，通信軟件^[4]主要是完成單片機(jī)和GSM模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。串口連接采用定時(shí)器T1產(chǎn)生9 600波特率，定時(shí)器工作方式選擇為自動(dòng)重載方式，通信字節(jié)格式設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。

本系統(tǒng)中，除了狀態(tài)改變主動(dòng)發(fā)送短消息之外，都是由控制方發(fā)出請(qǐng)求開(kāi)始，系統(tǒng)根據(jù)收到的不同信息內(nèi)容分別調(diào)用相應(yīng)的命令服務(wù)程序，對(duì)命令做出響應(yīng)。在節(jié)電系統(tǒng)主程序啟動(dòng)時(shí)，調(diào)用一個(gè)通信啟動(dòng)程序，初始化GSM模塊并為收發(fā)短消息做設(shè)置。其流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，每次工作狀態(tài)改變后都向控制方手機(jī)發(fā)送一次工作狀態(tài)和當(dāng)時(shí)參變量。程序中每次修改工作狀態(tài)后都會(huì)觸發(fā)一個(gè)短消息發(fā)送標(biāo)志，主程序讀到該標(biāo)志就調(diào)用一次短消息發(fā)送程序，發(fā)送工作狀態(tài)代碼和參變量，發(fā)送完后清除短消息發(fā)送標(biāo)志，返回主程序。發(fā)送短消息流程圖如圖5所示。

圖4 通信啟動(dòng)程序流程圖

圖5 發(fā)送短消息子程序流程圖

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析我國(guó)電網(wǎng)供電現(xiàn)狀和照明設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了智能照明節(jié)電系統(tǒng)。該節(jié)電系統(tǒng)適合我國(guó)道路照明電壓波動(dòng)大、對(duì)照明設(shè)備有損害的情況，同樣也適合商場(chǎng)、賓館、寫(xiě)字樓等場(chǎng)合照明。該系統(tǒng)不僅可以起到節(jié)電的作用，還延長(zhǎng)了燈具使用的壽命，減少了人工維護(hù)方面的投入，所以市場(chǎng)應(yīng)用前景較好。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］蔣衛(wèi)，魯明璐.照明系統(tǒng)的節(jié)能潛力分析\\[J\\].節(jié)能，2005(12):40-42.

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［2］吳永橋，金康進(jìn)，施光林.基于AT89C52的日光燈照明節(jié)電控制系統(tǒng)\\[J\\].微型機(jī)與應(yīng)用，2005，23(8):36-38.

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［3］陳東林，譚云蘭.基于GSM短消息的編碼方法及其編程實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2006(3):115-117.

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［4］馬潮.嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)\\[J\\].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003(7):23-26.

作者簡(jiǎn)介 脫 慧 女，1977出生，陜西漢中人，實(shí)驗(yàn)師。研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用及EDA。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。