夏 駿，王 甜

(陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中723000)

目前，國內(nèi)市場上出現(xiàn)了多種定時開關(guān)產(chǎn)品，并被廣泛應(yīng)用于家居生活、汽車服務(wù)、公共照明和倉庫管理等領(lǐng)域。其中大部分產(chǎn)品都只有簡單的定時功能，無法實現(xiàn)遙控、顯示等高級功能。而少數(shù)可遙控的產(chǎn)品也只局限于較近距離的范圍內(nèi)，并未實現(xiàn)遠程控制，這些降低了它的便利性和實用性。隨著科技的進步，人們向往智能化、節(jié)約化的家居生活，各種網(wǎng)絡(luò)家電應(yīng)運而生，但其高昂的價格卻讓普通大眾望而卻步，因此怎樣使傳統(tǒng)電器“智能化”是當(dāng)前一個值得研究的問題［1－2］。

針對上述問題，設(shè)計了一種新型的智能開關(guān)裝置，在傳統(tǒng)定時開關(guān)的基礎(chǔ)上改進完善，并對GSM網(wǎng)絡(luò)在該領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究，真正實現(xiàn)用戶在任何時間、地點，對用電器工作狀態(tài)的控制。不僅如此，設(shè)計還對傳統(tǒng)定時開關(guān)結(jié)構(gòu)進行了改進，使得一個主控制器可在一定范圍內(nèi)無線遙控任意分布的多個定時開關(guān)分機，幫助建立類似于網(wǎng)絡(luò)家電體系的小型民用遙控開關(guān)控制系統(tǒng)，可大幅降低使用成本。設(shè)計中還加入了觸摸屏顯示和紅外遙控等功能，使得產(chǎn)品更加人性化，具有操作方便、可靠性強、小型化、低功耗等特點，彌補了傳統(tǒng)產(chǎn)品的不足，同樣適合老年人、殘疾人使用。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)利用GSM短信網(wǎng)絡(luò)，使用戶在信號覆蓋范圍內(nèi)的任何位置，都能隨意控制各種用電器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

用戶處在遠程位置時，可以使用手機或其他方式，通過現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)以短信息的形式向主控制器發(fā)送指令。當(dāng)主控制器的處理器單元檢測到接收完成后，會立即從GSM模塊中讀取短信內(nèi)容，并分析判斷是否需要執(zhí)行。如需執(zhí)行，則處理器就會啟動無線傳輸模塊向指定的一個或多個控制分機發(fā)送相應(yīng)的指令，并通過觸摸屏顯示相關(guān)參數(shù);當(dāng)控制分機的處理器單元讀取并識別指令后，會控制光耦對繼電器做出相應(yīng)動作。

當(dāng)用戶在近距離范圍內(nèi)時，可以通過紅外遙控器或主控制器自帶的觸摸屏，向主控制器發(fā)送“定時開(關(guān))”等指令，主控制器的紅外接收器或處理器單元接收到指令后，經(jīng)過分析處理，根據(jù)指令內(nèi)容做出相應(yīng)動作。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)分為主控制器和控制分機兩部分。主控制器系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RBT6芯片為核心的處理器單元和西門子公司生產(chǎn)的TC35模塊為主，還包括了由AT24C02芯片組成的存儲電路、nRF24L01+無線傳輸模塊、紅外接收器HS0038B、以及一塊2.8寸(1寸=2.54 cm)TFT觸摸屏。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

控制分機系統(tǒng)如圖3所示，其處理器單元采用低成本的STC89C52芯片，并與無線傳輸模塊、紅外接收器、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED指示燈等構(gòu)成控制分機系統(tǒng)。而控制分機的執(zhí)行模塊，則由光耦芯片PC817、繼電器驅(qū)動電路和插座共同組成。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和使用安全，控制分機的系統(tǒng)電源和繼電器驅(qū)動路的電源相互獨立，二者之間沒有聯(lián)系。

圖3 控制分機硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 處理器單元

主控制器的處理器單元選用意法半導(dǎo)體公司新STM32F103RBT6芯片，它是基于ARM公司推出的V7平臺的Cortex－M3內(nèi)核的32位處理器［1］。該處理器芯片具有64個引腳、51個IO口、128 kB Flash、20 kB SRAM、3個串口、2個SPI接口、1個CAN總線和1個USB接口。芯片的數(shù)據(jù)處理能力為1.25 dMi/s·MHz，在72 MHz的工作頻率下，工作電流為36 mA，待機時下降到2 mA，是目前32位處理器市場上功耗最低的產(chǎn)品［2］。其售價接近51系列單片機的市場售價，但它的數(shù)據(jù)處理能力卻幾乎媲美DSP，較高的性價比，使其具有較好的發(fā)展前景。

STM32主控芯片內(nèi)部包含實時時鐘(RTC)。RTC是一個獨立的定時器，該模塊擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，再配合相應(yīng)的軟件設(shè)置，就可以提供時鐘日歷的功能，并支持掉電保護，通過修改計數(shù)器的值來重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的日期和時間［3］。設(shè)計中，定時開關(guān)的定時時鐘功能可以依靠RTC來完成，因此主控制器只需利用STM32F103RBT6自帶的RTC模塊就能夠滿足設(shè)計要求?？刂品謾C系統(tǒng)的處理器單元采用價格低廉的STC89C52單片機，該芯片的資源足以滿足控制分機系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.2 GSM模塊TC35

作為系統(tǒng)設(shè)計中遠程控制部分的核心，GSM通訊模塊選用了性價比高，并且已經(jīng)擁有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證的西門子TC35系列模塊。TC35是西門子公司推出的GSM模塊，它支持雙頻和標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集。TC35模塊通過配套的天線連接器和接口連接器，可分別與天線和SIM卡讀卡器連接，并通過串口與處理器芯片連接。

TC35模塊電路如圖4所示，共有40個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出，這40個引腳可以劃分為5類，即電源、SIM卡、數(shù)據(jù)輸入/輸出、音頻接口和控制。TC35模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU－T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，波特率在300 bit·s－1～115 kbit·s－1范圍內(nèi)可選，利用AT命令切換操作模式，可以使它處于數(shù)據(jù)、語音、短消息或傳真模式［4］。TC35模塊的短信功能支持TEXT和PDU兩種模式，設(shè)計使用TEXT模式來收發(fā)短信息。

2.3 nRF24L01+無線收發(fā)模塊

系統(tǒng)設(shè)計中的另一個重要組成部分，就是用于主控制器和控制分機之間進行通信的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該部分選用nRF24L01+系列無線收發(fā)模塊。nRF24L01+是nRF24L01的加強型，兩者在引腳上完全兼容，它工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并且融合了增強型ShockBurst技術(shù)，具有成本低、功耗小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點多等特點。在使用PCB制板天線時，nRF24L01+的通信距離一般可達100 m［2］，而使用配套的加長天線后，通信距離還有較大提升。

圖4 TC35模塊電路圖

根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)采用PCB制版天線的nRF24L01+模塊。在主控制器系統(tǒng)中，nRF24L01+模塊與STM32F103RBT6處理器使用SPI口通信協(xié)議;對于控制分機部分，則利用STC89C52單片機的普通IO口模擬SPI時序與nRF24L01+模塊完成通信。

3 軟件設(shè)計

3.1 主控制器部分

主控制器的軟件部分是在MDK4.0環(huán)境下使用V3.5.0版本的庫函數(shù)完成編程的，軟件設(shè)計流程如圖5所示。系統(tǒng)加電后，初始化相關(guān)外設(shè)，讀取AT24C02芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容執(zhí)行相關(guān)函數(shù)。由于STM32自帶的RTC模塊提供了鬧鐘中斷功能，利用這一功能可以實現(xiàn)預(yù)約定時開(關(guān))的功能。TC35與處理器通過串口完成通信，并在串口中斷服務(wù)函數(shù)中完成對短信內(nèi)容的識別工作，系統(tǒng)還利用外部中斷的方式接收紅外遙控發(fā)出的指令。

圖5 主控制器主要程序流程圖

3.2 控制分機部分

如圖6所示，控制分機分析判斷無線模塊接收到的指令信息，通過控制光耦實現(xiàn)間接控制繼電器的目的，開關(guān)裝置溫度過高時，系統(tǒng)自動切斷電源，以防止事故發(fā)生。

圖6 控制分機主要程序流程圖

4 調(diào)試與測試結(jié)果

系統(tǒng)采用模塊化與整體組合相結(jié)合的方法進行調(diào)試，經(jīng)過軟件仿真、組裝調(diào)試和系統(tǒng)測試，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的功能。測試時，用戶通過短信或手動方式向裝置傳達指令，裝置依照指令完成相應(yīng)的功能，同時通過觸摸屏來顯示相關(guān)參數(shù)。經(jīng)測試，裝置在高噪音、多塵等惡劣環(huán)境下也可正常運行。

5 結(jié)束語

此裝置實現(xiàn)了多組定時、電路保護、掉電數(shù)據(jù)保持等功能，同時加入了紅外遙控控制和觸摸屏顯示，與傳統(tǒng)的定時開關(guān)類產(chǎn)品相比，更穩(wěn)定、智能，且易于操作，彌補了傳統(tǒng)產(chǎn)品的不足。

［1］ 范書瑞.Cortex－M3嵌入式處理器原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［2］ 鐘鼎，尹媛媛.基于STM32人流量統(tǒng)計監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2011，19(20):94－96.

［3］ 劉軍.例說STM32［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［4］ 吳玉田，王瑞光，鄭喜鳳，等.GSM模塊TC35及其應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2002，10(8):557－559.

［5］ 羅冬，趙海剛，張源，等.基于單片機的紅外遙控定時開關(guān)裝置的設(shè)計［J］.機電工程技術(shù)，2010，39(3):79.