基于STC89C58RD+單片機(jī)的空調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)控制終端設(shè)計(jì)

覃盛安

(南海東軟信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院 后勤保障部，廣東 佛山 528225)

在學(xué)校等單位，分散安裝空調(diào)存在隨意開、通開造成的電能浪費(fèi)現(xiàn)象，這不僅增加了單位的運(yùn)作成本，同時(shí)還給管理增加了難度。為解決此問題，利用STC89C58RD+作中央處理器、rtl8019as作網(wǎng)卡、TCP/IP為通信協(xié)議，設(shè)計(jì)一款空調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的控制終端設(shè)備。便于管理人員通過空調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的操作，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)空調(diào)(受控設(shè)備)的開、關(guān)實(shí)施控制，也便于通過空調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)了解空調(diào) (受控設(shè)備)的運(yùn)行狀態(tài)，并隨時(shí)加以管理控制。從而達(dá)到節(jié)能降耗和節(jié)支增效的經(jīng)濟(jì)、高效的IT管理模式，具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 硬件

1.1 終端主機(jī)電路

整個(gè)電路分為電源、網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)處理和控制I/O接口等四部分。電源由一個(gè)DC 9 V輸入，分別用78L05和78L06兩個(gè)集成穩(wěn)壓器分成+5 V和+6 V的分支電源。+5 V電源為控制終端提供電源；+6 V電源作為光電耦合器的啟動(dòng)電源，以便在光電耦合器的動(dòng)作過程中，不影響主機(jī)的工作。服務(wù)器通過英特網(wǎng)接口與終端交換信息，再由控制終端通過I/O接口控制或獲取空調(diào) (受控)設(shè)備的即時(shí)狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 終端主機(jī)電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主要元器件

線路板主要由網(wǎng)絡(luò)變壓器FB2022、高度集成的以太網(wǎng)控制器 RTL8019AS、鎖存器 74HC573、靜態(tài) RAM存儲(chǔ)器 62256、主控制 STC89C58RD+等芯片，RJ45接口和幾組光電耦合器以及一些外圍元器件組成。其中，主控芯片STC89C58RD+內(nèi)部資源[1]包括：32 KB內(nèi)部閃存；1 280 B片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；工作頻率0～35MHz(相當(dāng)于普通8051的0～420MHz)；有內(nèi)部看門狗電路，解決了外界影響帶來的 “死機(jī)”問題；具有 4級(jí) 8個(gè)中斷源，提供2個(gè)額外的外部中斷機(jī)制和4組I/O口等。此外，還有寬電壓，低功耗，與其他8051完全兼容的特點(diǎn)。RTL8019AS為臺(tái)灣芯片生產(chǎn)商Realtek公司針對(duì)第三代快速以太網(wǎng)連接而設(shè)計(jì)，它支持多種嵌入式處理器芯片，內(nèi)置FIFO緩存器用于直接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。RTL8019AS支持以太網(wǎng)II和IEEE802.3；軟件兼容8 bit和16 bit的NE2000。對(duì)于沒有很復(fù)雜數(shù)據(jù)流處理的本控制終端機(jī)來說，低廉的造價(jià)也能夠達(dá)到較理想的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理效果。

1.3 硬件控制實(shí)現(xiàn)

控制終端與空調(diào)間用光電耦合器連接，當(dāng)控制終端接收到系統(tǒng)“電源開”指令時(shí)，相應(yīng)的光電耦合器閉合，打開空調(diào)電源，此時(shí)空調(diào)處于伺服狀態(tài)，面板上的電源指示燈亮，等待系統(tǒng)或遙控器等發(fā)送“運(yùn)行”指令。同時(shí)，因空調(diào)電源指示燈打開而相應(yīng)的光電耦合器導(dǎo)通，把空調(diào)的即時(shí)狀態(tài)信息通過控制終端處理后傳給系統(tǒng)?？照{(diào)進(jìn)入伺服狀態(tài)后，如果接收到系統(tǒng)或其他方式的“運(yùn)行”操作指令時(shí)，空調(diào)就開始運(yùn)行，面板上的“運(yùn)行”指示燈亮。同時(shí)因面板“運(yùn)行”指示燈亮而相應(yīng)的光電耦合器導(dǎo)通，把空調(diào)的“運(yùn)行”狀態(tài)信息通過控制終端處理后傳給系統(tǒng)。當(dāng)控制終端接收到系統(tǒng)“電源關(guān)”的指令時(shí)，將關(guān)閉空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，并且切斷空調(diào)的電源。此時(shí)空調(diào)處于完全停止?fàn)顟B(tài)，遙控及受控設(shè)備本身的任何硬件按鈕操作均無效。就這樣，基于TCP/IP協(xié)議的可靠通信連接，控制終端隨時(shí)等待著執(zhí)行服務(wù)器給它的系統(tǒng)指令，并周期性地把受控設(shè)備的即時(shí)狀態(tài)信息反饋給服務(wù)器。在試驗(yàn)中，如表1所示為用LED模擬空調(diào)設(shè)備，由不同IP和端口的兩個(gè)終端與同一臺(tái)服務(wù)器相連得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)控制終端接收到系統(tǒng)發(fā)來的指令“1”時(shí)，空調(diào)“總電源”開啟，LED1亮，同時(shí)向服務(wù)器反饋“電源開”的信息。在“電源開”的狀態(tài)下，控制終端接收到系統(tǒng)指令“2”時(shí)，空調(diào)“總電源關(guān)”，LED1滅；接收到系統(tǒng)指令“3”、“4”時(shí)，控制終端和負(fù)載相應(yīng)的動(dòng)作是“運(yùn)行、LED2亮”、“停止、LED2滅”。 當(dāng) “總電源關(guān)、LED1滅”后，沒有收到系統(tǒng)指令“1”時(shí)，其他任何指令對(duì)負(fù)載的控制無效，終端狀態(tài)燈無顯示，同時(shí)反饋給系統(tǒng)的信息為“關(guān)閉中”。

1.4 安全控制原理

在同一管理系統(tǒng)內(nèi)，每一個(gè)控制終端都固化唯一的物理地址(MAC)、本地IP地址和端口號(hào)，除了只與本身固有IP地址的服務(wù)器相應(yīng)端口通信外，不與其他微機(jī)發(fā)生關(guān)系；終端與終端之間也不會(huì)有任何干擾。其他PC主機(jī)在權(quán)限范圍內(nèi)可以通過服務(wù)器瀏覽或操作系統(tǒng)中各控制終端的設(shè)備狀態(tài)。這樣有利于設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。如需系統(tǒng)維護(hù)，也只需將安裝好空調(diào)管理系統(tǒng)的備用服務(wù)器的IP地址更改成控制終端對(duì)應(yīng)服務(wù)器的IP地址即可。

表1 網(wǎng)絡(luò)控制終端響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 TCP/IP的移植引用

2.1 開源TCP/IP的選擇

從來自不同出處的資料顯示，移植TCP/IP到8 bit低端處理器上，如uIP等不同版本TCP/IP棧的移植已有很多成功的案例。本控制終端的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)，是成功地移植引用了ZLIP版的TCP/IP協(xié)議棧[2]，其顯著特點(diǎn)是：

(1)有適中的代碼量和RAM使用量。使用22.1184MHz晶振、KeilC編譯器、STC89C58RD+單片機(jī)下測試的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 技術(shù)參數(shù)

(2)與BSD套接字基本相同，接口簡單，使用方便。

(3)支持ping命令的響應(yīng)。

(4)本身為單片機(jī)設(shè)計(jì)。所有的外部變量都使用了xdata類型，全部指針都為明確存儲(chǔ)類型的指針，需要重入的函數(shù)已經(jīng)聲明為reentrant，減少了重入函數(shù)在內(nèi)存中的滯留。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

(1)ZLIP棧符合BSD標(biāo)準(zhǔn)，定義一個(gè)套接字類型的全局變量“ExConn”，創(chuàng)建套接字。即：

ExConn=TCPSocket(IPAddr)；

(2)寫函數(shù)voidOnAcceptRecv(voidDT_XDATA*buf，WORD size)REENTRANT_MUL作為連接函數(shù)的參數(shù)，以便數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?duì)接。

(3)通過調(diào)用函 數(shù) TCPConnect(ExConn，0xc0a80002，55000，OnAcceptRecv，OnClose)主 動(dòng) 與 IP“192.168.0.2(IP地址的十六進(jìn)制表示為0xc0a80002)”相匹配的服務(wù)器進(jìn)行連接。獲得服務(wù)器分配相應(yīng)的“55000”端口進(jìn)行套接，實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接的接口，從此進(jìn)行正常通信。

(4)主動(dòng)與服務(wù)器進(jìn)行連接，提高系統(tǒng)管理的可靠性和安全性。如遇服務(wù)器故障或關(guān)閉，終端會(huì)周期性發(fā)出ARP廣播，直到重新正常連接。

3 軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的引用及更改

3.1.1 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)基地址的更改

因?yàn)橛布木€路板設(shè)計(jì)有差別，將ZLIP里的RTL8019.H的基地址宏定義0xb000改成0x8000(#define RTL_BASE_ADDRESS 0x8000)。

3.1.2 網(wǎng)卡復(fù)位啟動(dòng)

添加函數(shù)：

終端上電時(shí)，采用冷啟動(dòng)復(fù)位，便于終端即時(shí)初始化網(wǎng)卡。

3.1.3 控制終端主程序

終端上電，初始化各模塊后，通過創(chuàng)建的套接字主動(dòng)去與服務(wù)器對(duì)接，然后向服務(wù)器發(fā)送準(zhǔn)備就緒的信號(hào)，周期性地檢測與服務(wù)器連接的情況，靜靜地等待服務(wù)器的指令和觀察受控設(shè)備的狀態(tài)。一旦情況有變，就立即執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。終端工作流程圖如圖2所示。

圖2 終端軟件流程圖

3.2 控制管理的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 管理設(shè)備電源

受控設(shè)備的電源只有一種開通方式：即系統(tǒng)管理員通過服務(wù)器的“電源開”指令操作。其他任何形式和個(gè)人(專業(yè)維修人員除外)在沒有授權(quán)的前題下操作均無效。

3.2.2 受控設(shè)備的狀態(tài)管理

系統(tǒng)管理員可隨時(shí)從空調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中了解到設(shè)備的開啟運(yùn)行狀況，對(duì)有異常的設(shè)備及時(shí)向工程維修中心發(fā)送維修申請，然后由維修中心解決出現(xiàn)的異常。其他人員可以通過系統(tǒng)平臺(tái)瀏覽設(shè)備運(yùn)行狀況，遞交設(shè)備使用時(shí)段申請文件，請求系統(tǒng)管理員給予使用時(shí)效權(quán)。空調(diào)(受控設(shè)備)電源一旦開通，就給使用者充分的使用權(quán)限，讓其自由使用。這樣，既給使用者充分的自由，又給管理帶來了方便，就基本上杜絕了隨開、亂開、通開的電能浪費(fèi)的現(xiàn)象。從而提高了設(shè)備的利用率和完好率，令其運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)、高效的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理模式下。

單片機(jī)的應(yīng)用有利于產(chǎn)品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高勞動(dòng)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)環(huán)境，減少能源和材料消耗，保證安全等。本控制終端是作為單一的客戶端設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)管理中大量數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)的工作交給服務(wù)器去做。這樣大大節(jié)省了控制終端的資源，降低了負(fù)荷，讓控制終端專注于處理服務(wù)器發(fā)來的指令并按要求對(duì)空調(diào)加以控制。同時(shí)，把受控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)傳送給服務(wù)器，讓系統(tǒng)管理員隨時(shí)掌控系統(tǒng)中各空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)?；诔绦蚪Y(jié)構(gòu)簡單、硬件結(jié)構(gòu)合理、造價(jià)低廉且安裝方便的空調(diào)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)控制終端，僅對(duì)空調(diào)小作改進(jìn)，即可輕松把已有的設(shè)備納入統(tǒng)一、高效的智能化管理，讓“物盡其用、物盡其能、物有所值”。

[1]宏晶科技.8051系列單片機(jī)選型[DB/OL].http：//www.mcu-memory.com/stc-mcu-select-1.htm.

[2]李章林.ZLIP使用簡介 [DB/OL].[2005-11-28].http：//www.zlmcu.com/project/ZLIP/download/ZLIP%20Application%20Note.pdf.

[3]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].第 5版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]萬隆，巴奉麗.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[5]COMER D E，STEVENS D L.用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)際互連.第二卷：設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核：ANSI C版[M].第三版.張娟，王海，黃述真譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.