0 引言

    無線控制系統(tǒng)由于構(gòu)建比較簡單，且適應于遠、近距離的無線連接，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及自動控制中得到越來越廣泛的應用。本系統(tǒng)以普通單片機STC12C5A60S2和單片無線通信模塊WISMO228為基礎(chǔ)，采用遠程無線通信和近距離無線局域網(wǎng)相結(jié)合的方法，設(shè)計并實現(xiàn)遠程無線控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計思想

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已滲透到人們生活的各個領(lǐng)域^[1]。人們希望打破通信受地理環(huán)境、時空限制等因素的影響，能夠隨時隨地對多種物體進行通信及監(jiān)控。因此，在很多應用領(lǐng)域，無線通信逐漸取代了有線通信，無線控制取代了有線控制。無線控制要解決的首要問題是信息的無線傳輸，包括遠距離無線通信和監(jiān)控現(xiàn)場受控節(jié)點的無線連接。目前國內(nèi)有多種方案，但其遠距離通信主要是基于微機、平板電腦、ARM，現(xiàn)場節(jié)點控制主要采用ZigBee、WiFi等，系統(tǒng)相對比較復雜，成本也較高，真正投入實際應用不很方便^[1]。

    針對遠程控制系統(tǒng)存在的不足，本系統(tǒng)的設(shè)計注重研究和解決了以下技術(shù)問題：

    (1)直接使用人們最廣泛使用的智能手機作為遠程控制器，用Android系統(tǒng)開發(fā)應用軟件，與控制現(xiàn)場控制器進行無線通信，實現(xiàn)遠程控制。

    (2)現(xiàn)場控制器以STC12C5A60S2和WISMO228為核心進行設(shè)計。單片機實現(xiàn)遠程通信控制、現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點控制以及人-機交互控制，是系統(tǒng)控制核心；WISMO228用來實現(xiàn)和手機之間的GSM/GPRS通信；控制器中設(shè)計了nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊，作為現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點，具有和現(xiàn)場控制各個從節(jié)點進行無線信號傳輸?shù)墓δ堋?/p>

    (3)設(shè)計“即插即用”方式的無線射頻控制節(jié)點，又稱為無線控制插頭，作為現(xiàn)場控制從節(jié)點。為了使現(xiàn)場控制實用方便，避免重新布設(shè)有線控制連接的困難，該控制節(jié)點設(shè)計成比普通電源插頭稍大的“即插即用”式的插頭，代替受控設(shè)備或電器原有的插頭直接插入普通電源插座中，即可作為受控節(jié)點使用。在無線控制插頭中高度集成了89c2051、nRF24L01、電源轉(zhuǎn)換器和執(zhí)行部件。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

    系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要有現(xiàn)場控制器設(shè)計和無線控制插頭設(shè)計。

2.1 主要器件簡介

    (1)STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的CMOS高性能增強型8 bit 51系列單片機，內(nèi)有60 KB的Flash和1 280 B的RAM，有36個I/O口，其驅(qū)動電流高達20 mA左右，支持STC_ISP在線可編程，具有第二串口功能、2路PWM、8路10 bit高精度ADC。指令與MCS-51兼容，應用廣泛。

    (2)WISMO228無線通信模塊^[2-3]是由AirPrime公司生產(chǎn)的集發(fā)射、接收于一體，信號靈敏度極高的GPRS/GSM模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，工作可選GSM方式或4個頻段(850、900、1 800、1 900 MHz)的GPRS方式，傳輸速度支持GPRS Class 10級別標準。與微處理器連線簡單，支持串口、SPI、SIM卡等多種接口，典型工作電壓為3.6 V。

    圖1為模塊結(jié)構(gòu)框圖。模塊主要由RF電路和GSM基帶控制器兩部分構(gòu)成，可以連接控制SIM卡、進行異步串行通信、PWM控制、工作狀態(tài)信號輸出、外接天線、可編程I/O、A/D轉(zhuǎn)換以及電源等。

    (3)nRF24L01無線射頻收發(fā)器^[4]是Nordic公司生產(chǎn)的集發(fā)射、接收于一體的短距離數(shù)據(jù)傳輸芯片，它工作于2.4 GHz頻段范圍內(nèi)，標準供電為3.3 V，電流損耗較少。該芯片節(jié)點工作頻道多達125個，頻道之間切換時間短，可實現(xiàn)點與點之間的一對一、一對多雙向無線數(shù)據(jù)通信。它支持3種傳輸速率，選擇低速率250 kb/s，能夠傳輸更遠的距離。   

    nRF24L01模塊內(nèi)置ShockBurst電路，傳送數(shù)據(jù)中包括數(shù)據(jù)地址和CRC自動檢驗功能。芯片接收到數(shù)據(jù)能自動發(fā)送應答ACK信號，發(fā)送失敗后能自動重發(fā)數(shù)據(jù)，為無線通信有效傳輸提供了有利條件。nRF24L01內(nèi)部集成LNA(低噪聲放大器)、PA(功率放大器)、Enhance ShockBurst電路、芯片工作模式選擇電路、時鐘振蕩器電路等。

    (4)電源轉(zhuǎn)換芯片LNK304^[5-6]：系統(tǒng)選用LNK304降壓轉(zhuǎn)換芯片完成非隔離電源開關(guān)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)AC220 V轉(zhuǎn)DC5 V電路功能，其輸入交流電范圍為85 VAC～265 VAC，用來代換輸出電流不大于360 mA的所有線性及電容降壓式非隔離電源電路。具有性能好、集成度高、效率快等優(yōu)良特性。 

    LNK304集成1個700 V高壓功率MOSFET開關(guān)電路和1個電源控制電路,只需簡單的電路連接就可實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，用于“即插即用”式無線控制節(jié)點受控插頭的控制電路供電，實現(xiàn)對電器的控制。

2.2 現(xiàn)場控制器設(shè)計

    現(xiàn)場控制器包括微控制器、WISMO228模塊及外圍電路、無線射頻nRF24L01模塊、人機交互電路、電源等，其框圖如圖2所示。WISMO228通過UART與STC12C5A60S2連接。nRF24L01通過SPI接口與微處理器相連，并與從節(jié)點控制器的nRF24L01模塊進行無線通信，構(gòu)成節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。人機交互模塊主要由液晶顯示、按鍵、LED指示燈組成。其中5110LCD液晶通過SPI接口連接微處理器，向用戶提供監(jiān)視界面，顯示電器設(shè)備的工作狀態(tài)。一組獨立式按鍵可自定義功能。LED顯示無線節(jié)點工作狀態(tài)。這里主要介紹WISMO228模塊和nRF24L01模塊。

    (1)WISMO228模塊及其控制

    WISMO228通過SMS外圍接口建立無線通信鏈路，接收和發(fā)送控制信息。此接口完全符合GSM11.11標準規(guī)范，作為用戶登錄GSM網(wǎng)絡(luò)的身份驗證，系統(tǒng)使用6腳SIM卡，支持1.8 V電壓輸入。

    WISMO228與單片機及外圍電路連接如圖3所示。SIM卡的VCC與VPP引腳直接與WISMO228模塊的SIM_VCC引腳相連。SIM卡的CLK、I/O、RST信號線直接與WISMO228模塊的對應信號線相連接；WISMO228的ON/OFF引腳，與單片機的P1.1腳相連，通過單片機控制使該引腳在上電后保持低電平至少為685 ms；單片機的復位信號RESET通過T9實現(xiàn)信號的變換和隔離，實現(xiàn)低電平復位；RXD（接收）和TXD（發(fā)送）引腳分別連接單片機的RX和TX引腳，進行串行通信，單片機通過串行通信傳送命令和數(shù)據(jù)，控制WISMO228進行遠程信息傳輸；ANT引腳連接外部天線，天線阻抗值為50 ?贅，外接板焊天線外殼接地，以保證無線信號傳輸^[2]。

    為了反映WISMO228工作狀態(tài)，利用其WISMO_READY引腳電平由高變低再變高，表明WISMO228正在進行網(wǎng)絡(luò)登錄和完成初始化，引腳外接的LED3快速閃爍，最后點亮，表示模塊初始化和正常啟動；SIM_VCC引腳連接LED2，用來顯示SIM卡狀態(tài)，若SIM卡連接正常，則LED2被點亮；TX_CTRL引腳連接LED1，用來顯示模塊通信控制狀態(tài)，若有數(shù)據(jù)正在從模塊串口輸出，則LED2閃爍。

    (2)nRF24L01模塊及其控制電路

    STC12C5A60S2通過P2口模擬SPI接口，與nRF24L01連接，如圖4所示。其中P2.0控制CE，作為RX或TX模式選擇信號；P2.1控制CSN，作為nRF24L01片選信號；P2.2控制SCK，作為nRF24L01的時鐘；P2.3連接MOSI，作為串行數(shù)據(jù)輸入；P2.4連接MISO，作為串行數(shù)據(jù)輸出；P3.3(/INT1)連接IRQ，用作觸發(fā)中斷信號^[4]。

2.3 無線控制插頭設(shè)計 

    無線控制插頭是作為系統(tǒng)控制現(xiàn)場的無線控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，總體框圖如圖5。電路主要由MCU(AT89C2051)模塊、無線節(jié)點模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、繼電器控制模塊組成。AT89C2051只需控制射頻模塊無線接收數(shù)據(jù)和繼電器工作。nRF24L01芯片與現(xiàn)場控制器中的無線節(jié)點模塊，組建近距離的無線網(wǎng)絡(luò)。電源轉(zhuǎn)換模塊包括交流220 V轉(zhuǎn)直流5 V電路，為單片機和其他外圍器件供電； 5 V轉(zhuǎn)3.3 V電路為nRF24L01供電。繼電器控制電器設(shè)備工作，為了避免普通繼電器觸點通斷時的電磁干擾和較大的線圈電流，本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器?？刂撇孱^中的關(guān)鍵技術(shù)是nRF24L01模塊和交流220 V轉(zhuǎn)直流5 V的電源模塊。nRF24L01電路和現(xiàn)場控制器中的電路類似，在此不再介紹。

    電源轉(zhuǎn)換模塊把電源插頭連接的通用交流電源插座的220 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V直流，該模塊電路原理如圖6。其中：D為漏極引腳，LNK304啟動和進入穩(wěn)定工作狀態(tài)時，提供內(nèi)部操作電流；BP為旁路引腳，用于給內(nèi)部提供5.8 V的電源，外接100 nF的電容；FB為反饋引腳，正常工作狀態(tài)下，控制功率場效應開關(guān)，當輸入此引腳的電流超過49 μA時，場效應開關(guān)失效；S為源極引腳，構(gòu)成功率場效應開關(guān)的源極，同時也作為 BP和FB引腳的接地參考點。該電路能輸出5 V電壓和120 mA電流，對插頭內(nèi)無線控制電路供電，能滿足控制電路40 mA左右的供電需求。電源輸入部分由阻燃可熔的繞線電阻R30、二極管D7和D8、電容C30和C31以及電感L1構(gòu)成，交流220 V由R30接入，通過D7和D8全波整流，再通過C30、C31及L1濾波后接LNK304的漏極D引腳，其中R30不僅具有將二極管的浪涌電流值限制在允許范圍內(nèi)功能，而且若電路中出現(xiàn)短路或電流值過大時能起到熔斷保險的作用；電路輸出部分由續(xù)流二極管D9、輸出電感L8及輸出電容C34構(gòu)成。由于LNK304使電源工作在極度不連續(xù)導通狀態(tài)，因此選用D9為超快恢復二極管uF4005進行反向時間的快速恢復。L8為1 mH、280 mA的工字型磁芯電感。C34是輸出濾波電容，其主要功能是限制輸出電壓紋波。電路的反饋及穩(wěn)壓部分由R1、R3、C33、D10構(gòu)成， D10為慢速恢復二極管IN4005GP，設(shè)其正向壓降與D9一樣，則可認為電解電容C33兩端電壓跟隨輸出電壓變化，選取R1和R3的阻值，對C33的電壓進行分壓，使得芯片反饋引腳FB電壓為1.65 V時，輸出電壓為所要求的穩(wěn)壓值5 V。此外，為了防止在輕載或空載的情況下，輸出電壓5 V與C33電壓存在跟蹤誤差，因此在輸出端接1 kΩ的電阻R33作為假負載^[7-8]。

3 單片機控制程序設(shè)計

    主要包括現(xiàn)場控制器中的STC12C5A60S2控制軟件和無線控制插頭中的AT89C2051控制軟件。

3.1 現(xiàn)場控制器程序設(shè)計

    圖7是現(xiàn)場控制器控制主流程，初始化包括液晶（5110LCD）、串行接口、WISMO228和nRF24L01的初始化。然后主要是接收手機等無線通信工具發(fā)送的遠程控制指令，當有新指令信息到達時，WISMO228通過AT指令將控制信息內(nèi)容傳送給STC12C5A60S2。單片機根據(jù)控制命令的要求將信息通過無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到相應的無線控制插頭節(jié)點，并隨時接收現(xiàn)場節(jié)點反饋的狀態(tài)信號，顯示控制狀態(tài),同時向手機發(fā)送狀態(tài)信息。

    手機和現(xiàn)場控制器之間通過AT指令傳送命令和數(shù)據(jù)，采用ASCII碼方式。系統(tǒng)定義對控制信號采用統(tǒng)一的編碼規(guī)則為10 bit字符，由左向右，字符1～4為系統(tǒng)控制密碼，暫用“####”表示；字符5為為命令碼，可以根據(jù)需要增減，目前只定義“T”(定時)、“G”(定量)、“C”(關(guān)閉)；字符6為受控節(jié)點號“1”～“8”；字符7～10為定時或定量數(shù)據(jù)，定時以s表示，可以定時0～9 999 s；定量是指對固態(tài)繼電器控制導通電量的大小，以0～220對應接通交流電壓的大小，以便對可調(diào)電壓的電器進行控制^[3]。

3.2 無線控制插頭程序設(shè)計

    圖8是無線控制插頭中AT89C2051的控制主流程，對中斷系統(tǒng)和nRF24L01進行初始化后，就處于待機狀態(tài)。當nRF24L01接收到主節(jié)點發(fā)送的命令，就向單片機發(fā)中斷，單片機讀取命令并進行判斷，若為本節(jié)點的指令，就處理和執(zhí)行指令。

    控制現(xiàn)場的局域無線網(wǎng)絡(luò)是由1個現(xiàn)場控制器的nRF24L01主節(jié)點和若干個無線插頭的nRF24L01從節(jié)點構(gòu)成。nRF24L01設(shè)置為增強型ShockBurstTM 工作方式。在發(fā)送、接收程序設(shè)計中，主節(jié)點采用“發(fā)送→等待從機成功接收的應答信號→發(fā)送下個數(shù)據(jù)”的控制過程，若規(guī)定時間內(nèi)未收到應答信號，主節(jié)點重發(fā)當前的數(shù)據(jù)，直至收到ACK應答信號。從節(jié)點則對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗、分析和處理，執(zhí)行相關(guān)操作命令，并向主節(jié)點發(fā)送應答信號。

4 系統(tǒng)應用及功能擴展

    系統(tǒng)以其在智能家居方面的實際應用作為實例進行了實驗，用1個現(xiàn)場控制器和5個無線控制插頭構(gòu)成一個家居環(huán)境中的局域無線網(wǎng)絡(luò)，5個插頭分別作為空調(diào)機、電視機、換氣扇、照明燈、噴水器的電源插頭，以手機短信發(fā)送控制命令，實現(xiàn)了對家電的遠程控制。例如：手機發(fā)送“####T31800”命令，可啟動換氣扇開機換氣30 min；發(fā)送“####G50100”,可啟動家庭噴水器以適當?shù)拈_啟度澆花等等，并把現(xiàn)場工作狀態(tài)發(fā)送給手機。

    系統(tǒng)采用現(xiàn)代無線通信技術(shù)和近距離無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相結(jié)合的控制方法，較好地實現(xiàn)了遠程控制的實用化，系統(tǒng)控制現(xiàn)場組網(wǎng)簡潔，受控節(jié)點可多可少，控制對象連接方便。系統(tǒng)有較大的應用擴展空間，例如：可以利用多種遠程無線通信工具作為控制器；可以在手機上開發(fā)Android控制軟件，使之具有良好的遠程人機交互界面；可以設(shè)計研制不同功能的無線控制插頭，滿足不同的遠程操控需求。

參考文獻

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