0 引言

    無線控制系統(tǒng)由于構(gòu)建比較簡(jiǎn)單，且適應(yīng)于遠(yuǎn)、近距離的無線連接，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及自動(dòng)控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)以普通單片機(jī)STC12C5A60S2和單片無線通信模塊WISMO228為基礎(chǔ)，采用遠(yuǎn)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(jì)并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)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(gè)領(lǐng)域^[1]。人們希望打破通信受地理環(huán)境、時(shí)空限制等因素的影響，能夠隨時(shí)隨地對(duì)多種物體進(jìn)行通信及監(jiān)控。因此，在很多應(yīng)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(yuǎn)距離無線通信和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)受控節(jié)點(diǎn)的無線連接。目前國(guó)內(nèi)有多種方案，但其遠(yuǎn)距離通信主要是基于微機(jī)、平板電腦、ARM，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)控制主要采用ZigBee、WiFi等，系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，成本也較高，真正投入實(shí)際應(yīng)用不很方便^[1]。

    針對(duì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)存在的不足，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)作為遠(yuǎn)程控制器，用Android系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用軟件，與控制現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行無線通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

    (2)現(xiàn)場(chǎng)控制器以STC12C5A60S2和WISMO228為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信控制、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制以及人-機(jī)交互控制，是系統(tǒng)控制核心；WISMO228用來實(shí)現(xiàn)和手機(jī)之間的GSM/GPRS通信；控制器中設(shè)計(jì)了nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊，作為現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，具有和現(xiàn)場(chǎng)控制各個(gè)從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線信號(hào)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

    (3)設(shè)計(jì)“即插即用”方式的無線射頻控制節(jié)點(diǎn)，又稱為無線控制插頭，作為現(xiàn)場(chǎng)控制從節(jié)點(diǎn)。為了使現(xiàn)場(chǎng)控制實(shí)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)

    系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要有現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)計(jì)和無線控制插頭設(shè)計(jì)。

2.1 主要器件簡(jiǎn)介

    (1)STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的CMOS高性能增強(qiáng)型8 bit 51系列單片機(jī)，內(nèi)有60 KB的Flash和1 280 B的RAM，有36個(gè)I/O口，其驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)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(yīng)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(hào)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(gè)頻段(850、900、1 800、1 900 MHz)的GPRS方式，傳輸速度支持GPRS Class 10級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)。與微處理器連線簡(jiǎn)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(jìn)行異步串行通信、PWM控制、工作狀態(tài)信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)供電為3.3 V，電流損耗較少。該芯片節(jié)點(diǎn)工作頻道多達(dá)125個(gè)，頻道之間切換時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的一對(duì)一、一對(duì)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(yuǎn)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(dòng)檢驗(yàn)功能。芯片接收到數(shù)據(jù)能自動(dòng)發(fā)送應(yīng)答ACK信號(hào)，發(fā)送失敗后能自動(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)700 V高壓功率MOSFET開關(guān)電路和1個(gè)電源控制電路,只需簡(jiǎn)單的電路連接就可實(shí)現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，用于“即插即用”式無線控制節(jié)點(diǎn)受控插頭的控制電路供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的控制。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)計(jì)

    現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(diǎn)控制器的nRF24L01模塊進(jìn)行無線通信，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。人機(jī)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(dú)立式按鍵可自定義功能。LED顯示無線節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，作為用戶登錄GSM網(wǎng)絡(luò)的身份驗(yàn)證，系統(tǒng)使用6腳SIM卡，支持1.8 V電壓輸入。

    WISMO228與單片機(jī)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(hào)線直接與WISMO228模塊的對(duì)應(yīng)信號(hào)線相連接；WISMO228的ON/OFF引腳，與單片機(jī)的P1.1腳相連，通過單片機(jī)控制使該引腳在上電后保持低電平至少為685 ms；單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)RESET通過T9實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換和隔離，實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位；RXD（接收）和TXD（發(fā)送）引腳分別連接單片機(jī)的RX和TX引腳，進(jìn)行串行通信，單片機(jī)通過串行通信傳送命令和數(shù)據(jù)，控制WISMO228進(jìn)行遠(yuǎn)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(hào)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(jìn)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(diǎn)亮，表示模塊初始化和正常啟動(dòng)；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(diǎn)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(hào)；P2.1控制CSN，作為nRF24L01片選信號(hào)；P2.2控制SCK，作為nRF24L01的時(shí)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(hào)^[4]。

2.3 無線控制插頭設(shè)計(jì) 

    無線控制插頭是作為系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)的無線控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，總體框圖如圖5。電路主要由MCU(AT89C2051)模塊、無線節(jié)點(diǎn)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(chǎng)控制器中的無線節(jié)點(diǎn)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(jī)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(diǎn)通斷時(shí)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。控制插頭中的關(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(chǎng)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(dòng)和進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，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(chǎng)效應(yīng)開關(guān)，當(dāng)輸入此引腳的電流超過49 μA時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)失效；S為源極引腳，構(gòu)成功率場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)的源極，同時(shí)也作為 BP和FB引腳的接地參考點(diǎn)。該電路能輸出5 V電壓和120 mA電流，對(duì)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(shí)能起到熔斷保險(xiǎn)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(dǎo)通狀態(tài)，因此選用D9為超快恢復(fù)二極管uF4005進(jìn)行反向時(shí)間的快速恢復(fù)。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(fù)二極管IN4005GP，設(shè)其正向壓降與D9一樣，則可認(rèn)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(duì)C33的電壓進(jìn)行分壓，使得芯片反饋引腳FB電壓為1.65 V時(shí)，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(fù)載^[7-8]。

3 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

    主要包括現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制器程序設(shè)計(jì)

    圖7是現(xiàn)場(chǎng)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(jī)等無線通信工具發(fā)送的遠(yuǎn)程控制指令，當(dāng)有新指令信息到達(dá)時(shí)，WISMO228通過AT指令將控制信息內(nèi)容傳送給STC12C5A60S2。單片機(jī)根據(jù)控制命令的要求將信息通過無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的無線控制插頭節(jié)點(diǎn)，并隨時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)反饋的狀態(tài)信號(hào)，顯示控制狀態(tài),同時(shí)向手機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息。

    手機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)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(duì)控制信號(hào)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(shí))、“G”(定量)、“C”(關(guān)閉)；字符6為受控節(jié)點(diǎn)號(hào)“1”～“8”；字符7～10為定時(shí)或定量數(shù)據(jù)，定時(shí)以s表示，可以定時(shí)0～9 999 s；定量是指對(duì)固態(tài)繼電器控制導(dǎo)通電量的大小，以0～220對(duì)應(yīng)接通交流電壓的大小，以便對(duì)可調(diào)電壓的電器進(jìn)行控制^[3]。

3.2 無線控制插頭程序設(shè)計(jì)

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

    控制現(xiàn)場(chǎng)的局域無線網(wǎng)絡(luò)是由1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器的nRF24L01主節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)無線插頭的nRF24L01從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。nRF24L01設(shè)置為增強(qiáng)型ShockBurstTM 工作方式。在發(fā)送、接收程序設(shè)計(jì)中，主節(jié)點(diǎn)采用“發(fā)送→等待從機(jī)成功接收的應(yīng)答信號(hào)→發(fā)送下個(gè)數(shù)據(jù)”的控制過程，若規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答信號(hào)，主節(jié)點(diǎn)重發(fā)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，直至收到ACK應(yīng)答信號(hào)。從節(jié)點(diǎn)則對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、分析和處理，執(zhí)行相關(guān)操作命令，并向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及功能擴(kuò)展

    系統(tǒng)以其在智能家居方面的實(shí)際應(yīng)用作為實(shí)例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，用1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制器和5個(gè)無線控制插頭構(gòu)成一個(gè)家居環(huán)境中的局域無線網(wǎng)絡(luò)，5個(gè)插頭分別作為空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、換氣扇、照明燈、噴水器的電源插頭，以手機(jī)短信發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電的遠(yuǎn)程控制。例如：手機(jī)發(fā)送“####T31800”命令，可啟動(dòng)換氣扇開機(jī)換氣30 min；發(fā)送“####G50100”,可啟動(dòng)家庭噴水器以適當(dāng)?shù)拈_啟度澆花等等，并把現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)發(fā)送給手機(jī)。

    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(diǎn)相結(jié)合的控制方法，較好地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的實(shí)用化，系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)簡(jiǎn)潔，受控節(jié)點(diǎn)可多可少，控制對(duì)象連接方便。系統(tǒng)有較大的應(yīng)用擴(kuò)展空間，例如：可以利用多種遠(yuǎn)程無線通信工具作為控制器；可以在手機(jī)上開發(fā)Android控制軟件，使之具有良好的遠(yuǎn)程人機(jī)交互界面；可以設(shè)計(jì)研制不同功能的無線控制插頭，滿足不同的遠(yuǎn)程操控需求。

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