賈曉寶，譚凌峰，蔣岱童，許旭東，楊志豪（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

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基于Arduino的樓宇機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程短信控制系統(tǒng)設(shè)計

賈曉寶，譚凌峰，蔣岱童，許旭東，楊志豪
（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

摘 要：文章設(shè)計了基于Arduino微控器的樓宇機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括控制器模塊和無線通信模塊，以GPRS SIM900A作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信平臺，輔以LCD液晶顯示屏、操作鍵盤、雙控面板開關(guān)及時鐘模塊等.通過操作鍵盤可方便設(shè)置系統(tǒng)的合法用戶，經(jīng)授權(quán)的用戶可通過手機(jī)發(fā)送R或C命令，遠(yuǎn)程讀取樓宇機(jī)電設(shè)備的運行狀態(tài)，控制其啟動或停止，還可通過現(xiàn)場的雙控面板開關(guān)實現(xiàn)設(shè)備的就地控制.時鐘模塊確?？刂葡到y(tǒng)意外掉電后仍能精確計時.

關(guān)鍵詞：Arduino；GPRS SIM900A；機(jī)電設(shè)備；短信

隨著綠色建筑+互聯(lián)網(wǎng)研究的深入，僅由于機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程可視可控性，就可以將能耗節(jié)約提升5%～5%[1].現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制研究[2-5]重點都著眼于用電負(fù)荷不大的對象，控制系統(tǒng)大多基于單片機(jī)與通信模塊開發(fā)，開發(fā)過程較為復(fù)雜.針對樓宇等大型機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，國內(nèi)外目前主要采用Honeywell的Excel5000或Siemens的Apogee系統(tǒng)，其系統(tǒng)龐大，價格昂貴，使用煩瑣.文章從控制過程簡單、節(jié)能等角度出發(fā)，設(shè)計了基于開源硬件Arduino與GPRS SIM900A的遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng).

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)工作原理

基于短信的遠(yuǎn)程控制是通過手機(jī)等設(shè)備將監(jiān)控命令以短信息的方式發(fā)送至手機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程微控器，微控器根據(jù)短信息指令執(zhí)行相關(guān)動作，從而實現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)讀取或啟?？刂?系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖1所示.

圖1　短信遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計原理圖

該系統(tǒng)設(shè)計2種控制模式，即自動模式和手動模式.手動模式時，用戶可通過現(xiàn)場開關(guān)直接控制；自動模式時，用戶可通過手機(jī)短信的方式遠(yuǎn)程讀取設(shè)備狀態(tài)和控制設(shè)備.控制系統(tǒng)的主要部件包括控制器模塊和無線通信模塊.微控制器是整個系統(tǒng)的核心，無線通信模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)與設(shè)備管理人員的信息交互，根據(jù)接收到的短信息或鍵盤輸入信息執(zhí)行相應(yīng)的動作.用戶通過系統(tǒng)鍵盤，可授權(quán)一個或多個用戶遠(yuǎn)程使用該系統(tǒng)；并可設(shè)置控制系統(tǒng)定時給管理人員發(fā)送設(shè)備運行狀態(tài)的時間.考慮現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備供電電源一般是220 VAC或380 VAC，而微控制器的輸出引腳一般只能夠提供5V（40 mA）左右的電流[6]，因此系統(tǒng)設(shè)計了繼電器模塊，由微控制器通過控制繼電器模塊間接實現(xiàn)對高電壓大電流設(shè)備的控制.

1.2系統(tǒng)硬件構(gòu)成

微控制器是控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)基于開源硬件平臺Arduino Mega 2560進(jìn)行設(shè)計開發(fā).Arduino是目前非常流行的電子互動平臺，基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)設(shè)計和互動產(chǎn)品開發(fā)[7].Arduino Mega 2560具有54路數(shù)字輸入輸出，16路模擬輸入，4路UART接口，非常適合需要大量輸入輸出接口控制的對象[8].此外，該控制板可通過標(biāo)準(zhǔn)的USB線纜與電腦連接，通過在線調(diào)試程序，大大縮短了開發(fā)周期.

遠(yuǎn)程監(jiān)控一般通過2種方式實現(xiàn)，一種是GPRS短消息模塊發(fā)送控制指令；另一種利用互聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議來發(fā)送指令.2種方法的控制效果沒有明顯差別，第一種方法對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求不高，只要能接收到穩(wěn)定的手機(jī)信號就可以.但第二種方法要求應(yīng)用場景具有可以從外部直接訪問的固定IP.因此本系統(tǒng)釆用發(fā)送短消息的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制.為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程短信息的接收和發(fā)送，必須選擇一款能夠與Arduino微控制器易于連接的遠(yuǎn)程通信模塊.目前在單片機(jī)開發(fā)領(lǐng)域主流的GPRS通信模塊有西門子的TC351，WaveCom公司的GR64/Q64，華為公司的GTM900C/EM310，SIMCom公司的SIM900A[9].本文開發(fā)的控制系統(tǒng)采用SIM900A，主要原因是其可以方便與Arduino開發(fā)板通過串口連接進(jìn)行通信，同時該模塊在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控以及GPS定位等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.

為了使該控制系統(tǒng)功能更加完善，使用更人性化，系統(tǒng)硬件配置了時鐘模塊、光耦傳感器模塊、雙控面板開關(guān)、LCD液晶顯示器和鍵盤等輔助設(shè)備.時鐘模塊選擇DS3231，該器件是一款高精度I2C實時時鐘器件，具有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生意外掉電時仍可保持精確計時.光藕傳感器選擇220V交流光電藕檢測模塊，檢測220V交流電是否存在，其真正作用是為了檢測現(xiàn)場被控設(shè)備的運行狀態(tài).顯示屏和鍵盤分別采用12864顯示屏和4*4薄膜鍵盤，用于控制系統(tǒng)的信息顯示和系統(tǒng)設(shè)置.設(shè)計雙控面板開關(guān)實現(xiàn)設(shè)備的就地控制.以3個負(fù)載作為控制對象的具體系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖2所示.

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計包括初始化程序與主程序2個部分.初始化主要包括對Arduino控制板的引腳形式的初始化、波特率的設(shè)置及I2C總線的初始

化.主程序則主要判斷串口是否有信息發(fā)來，判斷是否是合法的目標(biāo)用戶，根據(jù)用戶發(fā)送的信息執(zhí)行相應(yīng)動作.其軟件工作流程如圖3所示.

2.1系統(tǒng)初始化

初始化主要通過setup()函數(shù)完成，setup()函數(shù)只在系統(tǒng)上電后運行一次，其作用是在系統(tǒng)主函數(shù)運行前為系統(tǒng)做一些基本的初始化工作，比如設(shè)置引腳形式和波特率等[6].在遠(yuǎn)程短信平臺控制的軟件實現(xiàn)過程中，初始化主要由4部分組成：Arduino控制板的引腳狀態(tài)的初始化、波特率的設(shè)置、I2C總線初始化及系統(tǒng)時鐘的初始化.① 引腳狀態(tài)的初始化通過pinMode函數(shù)來完成，該函數(shù)有2個參數(shù)，第一個參數(shù)指定引腳號，第二個函數(shù)代表引腳模式是輸出模式還是輸入模式.引腳22~24設(shè)計為輸入模式，讀取負(fù)載運行狀態(tài)；引腳10~14設(shè)計為輸出模式，其中10~13引腳負(fù)責(zé)設(shè)備啟動和停止，第14號引腳用來表示串口數(shù)據(jù)接收標(biāo)志.② 波特率是信號傳輸速率的一種量度，表示了每秒鐘傳遞的比特數(shù)號，在編程語言中調(diào)用串口函數(shù)來進(jìn)行波特率的設(shè)置，該系統(tǒng)設(shè)計波特率為9600Bd.③ 時鐘模塊DS3231通過I2C總線與Arduino控制板通信，在初始化芯片的I2C總線前必須加入庫函數(shù)Wire.h，通過begin()來實現(xiàn).④初始化程序的最后部分是對系統(tǒng)當(dāng)前時間的讀取和系統(tǒng)負(fù)載當(dāng)前狀態(tài)的讀取.具體程序示例樹狀圖如圖4所示.

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計圖

圖3　軟件工作流程圖

2.2短信的讀取與發(fā)送

通信模塊SIM900A與Arduino微控器通過串口進(jìn)行通信，串口連接成功后，微控制器會持續(xù)判斷串口信息的有效性.短信的讀取與控制在主程序loop()函數(shù)中實現(xiàn)，該loop()函數(shù)打開后就一直運行，并且只要沒有關(guān)閉或者沒有按下重啟按鈕就會一直循環(huán)運行下去[6].

圖4　系統(tǒng)初始化程序樹狀圖

短信息讀取和發(fā)送通過AT命令執(zhí)行，用戶可以通過AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制[10].在執(zhí)行讀取或發(fā)送短信操作前，首先應(yīng)設(shè)置字符集，在發(fā)送純英文短信的時候，應(yīng)發(fā)送：AT+CSCS=“GSM”，設(shè)置為缺省字符集即可.在發(fā)送中英文短信的時候，需要發(fā)送：AT+CSCS=“UCS2”，設(shè)置為16 位通用8字節(jié)倍數(shù)編碼字符集.AT+CMGR命令用于讀取短信，比如發(fā)送：AT+CMGR=1，則可以讀取SIM卡存儲在位置1的短信.AT+CMGF命令為短消息發(fā)送格式命令，該命令的值可以設(shè)置為“0”或者“1”.如果設(shè)置為“0”，則代表短消息格式為PDU模式；如果設(shè)置為“1”，則代表短消息格式為TEXT模式[4].PDU模式主要用于中英文短消息的發(fā)送，TEXT模式主要用于英文短消息發(fā)送，因該系統(tǒng)傳輸?shù)膬H為簡單的英文字母和數(shù)字，所以設(shè)置“AT+CMGF=1”即表示用模式TEXT來傳送消息.以發(fā)送設(shè)備當(dāng)前運行狀態(tài)為例的子函數(shù)設(shè)計代碼如圖5所示.

圖5　負(fù)載當(dāng)前狀態(tài)發(fā)送程序樹狀圖

3　設(shè)計案例

按照上述設(shè)計思想，設(shè)計的三回路負(fù)載控制系統(tǒng)實驗板如圖6所示.

為了便于測試系統(tǒng)，三路負(fù)載用日光燈替代，當(dāng)用戶發(fā)送“R”給控制系統(tǒng)時，系統(tǒng)自動將燈的開關(guān)狀態(tài)以消息0或1的形式反饋給用戶；發(fā)送“C”可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.同時通過實驗板上的雙控開關(guān)，用戶也可實現(xiàn)三組燈的本地控制.該控制系統(tǒng)在深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院樓宇專業(yè)的技能大賽實訓(xùn)分室安裝并進(jìn)行了測試，一路控制實訓(xùn)室照明，另一路控制室內(nèi)風(fēng)扇，系統(tǒng)長期工作穩(wěn)定可靠.此外，該控制系統(tǒng)也得到中山職業(yè)技師學(xué)院老師的認(rèn)可，并計劃用于實訓(xùn)室風(fēng)扇的控制，以解決實訓(xùn)室風(fēng)扇長期不及時或忘記關(guān)閉造成的能源浪費.該控制系統(tǒng)設(shè)計采用低功耗電子元器件，使用壽命長，成本低，并且控制回路數(shù)量可以根據(jù)被控對象的多少靈活增減.需要說明的是，系統(tǒng)當(dāng)前設(shè)計僅為基礎(chǔ)階段，只考慮了手機(jī)遠(yuǎn)程短信控制的可靠性和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，后期將結(jié)合使用場景，結(jié)合用戶的工作生活習(xí)慣，應(yīng)用優(yōu)化算法實現(xiàn)樓宇機(jī)電設(shè)備的最大化節(jié)能.

圖6　系統(tǒng)測試實驗板

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Short Message Control System for Building Mechanical and Electrical Equipment Based on Arduino Micro-Controller

JIA Xiaobao, TAN Lingfeng, JIANG Daitong, XU Xudong, YANG Zhihao
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Abstract:The paper designed the remote short message control system for building mechanical and electrical equipment based on Arduino micro-controller. The system uses the GPRS SIM900A as a signal communication platform, aided with LCD display, keyboard, double switch control panel, and clock module. The user can be easily authorized to operate the system through the keyboard, and legitimate users can monitor and control the equipment by sending short messages “R” or “C” from mobile phones. Besides, devices can be controlled by a switch button installed in the field. The clock module can calculate time accurately even when the system is powered off accidentally.

Key words:Arduino; GPRS SIM900A; mechanical and electrical equipment; short message

作者簡介：賈曉寶（1976-），男，陜西人，碩士，講師，研究方向為樓宇智能化控制技術(shù).

收稿日期：2016-01-04

DOI:10.13899/j.cnki.szptxb.2016.03.004

中圖分類號：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-0318（2016）03-0019-05