基于物聯(lián)網(wǎng)的高校照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孟繁榮

摘 要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線遠(yuǎn)程的控制方式將成為未來(lái)智能家居發(fā)展的趨勢(shì)和潮流。本文面向高校物業(yè)管理和節(jié)能監(jiān)管的需求，設(shè)計(jì)了一款基于STC12C5A60S2，89C52等嵌入式設(shè)備和GSM、nRF24L01通信模塊組成的無(wú)線照明控制系統(tǒng)，用戶以手機(jī)短信方式發(fā)送照明控制指令實(shí)現(xiàn)照明器具的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)還可以對(duì)行查詢、設(shè)置及控制相應(yīng)燈組的通斷，無(wú)線照明系統(tǒng)能應(yīng)用于如學(xué)校、工廠、寫(xiě)字樓、會(huì)議室等區(qū)域，具有良好的實(shí)用前景和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 照明管理 GSM模塊 照明系統(tǒng) STC12C5A60S2

引言

隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線傳輸信號(hào)將取代有線傳輸信號(hào)機(jī)，從而應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域。在大型公共建筑中，照明作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，照明系統(tǒng)的有效管理成為物業(yè)和節(jié)能管理的突破口。本系統(tǒng)基于高校物業(yè)管理和節(jié)能管理的需求，設(shè)計(jì)出由無(wú)線傳輸?shù)恼彰骺刂迫〈鷤鹘y(tǒng)的有線照明開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)的普及化與便利化，從而改善人們的生活環(huán)境。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文實(shí)現(xiàn)的無(wú)線照明控制系統(tǒng)的短信控制。本系統(tǒng)分為主控節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分，二者之間通無(wú)線通信GSM模塊傳遞信息，主機(jī)控制從機(jī)開(kāi)關(guān)相應(yīng)LED燈組，并發(fā)送短信回復(fù)用戶。實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）良好的人機(jī)交互設(shè)計(jì)；（2）用LED點(diǎn)陣模擬燈摘 要： 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線遠(yuǎn)程的控制方式將成為未來(lái)智能家居發(fā)展的趨勢(shì)和潮流。本文面向高校物業(yè)管理和節(jié)能監(jiān)管的需求，設(shè)計(jì)了一款基于STC12C5A60S2，89C52等嵌入式設(shè)備和GSM、nRF24L01通信模塊組成的無(wú)線照明控制系統(tǒng)，用戶以手機(jī)短信方式發(fā)送照明控制指令實(shí)現(xiàn)照明器具的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)還可以對(duì)行查詢、設(shè)置及控制相應(yīng)燈組的通斷，無(wú)線照明系統(tǒng)能應(yīng)用于如學(xué)校、工廠、寫(xiě)字樓、會(huì)議室等區(qū)域，具有良好的實(shí)用前景和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 照明管理 GSM模塊 照明系統(tǒng) STC12C5A60S2的短信控制：（3）系統(tǒng)查詢：用戶通過(guò)發(fā)送短信可查詢燈的狀態(tài)。（4）系統(tǒng)設(shè)置：用戶可通過(guò)發(fā)送驗(yàn)證碼+命令+新驗(yàn)證碼即可修改密碼。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1主控節(jié)點(diǎn)

主控節(jié)點(diǎn)在MCU最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上包含GSM通信模塊、24L01無(wú)線收發(fā)模塊，220/5V和5V/3.3V供電模塊，1602液晶顯示屏和LED燈的顯示模塊。四個(gè)模塊通過(guò)33個(gè)I/O口與MCU相連，控制照明系統(tǒng)進(jìn)行控制、查詢、設(shè)置等操作。

2.2MCU資源分配

主控節(jié)點(diǎn)的MCU采用STC12C5A60S2高性能、低功耗單片機(jī)，其豐富的片上資源能夠很好地滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能的需求。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中使用到的微處理器資源如下：（1）I/O口資源：本系統(tǒng)中合理分配使用了33個(gè)I/O口，P1的七個(gè)I/O口用于連接nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊；P3.0和P3.1為UART2的TX和RX引腳，將其用于主控節(jié)點(diǎn)MCU與GSM模塊的通信串口；而UART1用于系統(tǒng)的調(diào)試：P0口用于連接1602液晶顯示屏。（2）16位定時(shí)器：用作時(shí)基信號(hào)。（3）看門(mén)狗：安全性控制。（4）2組UART串行通信接口：UART1用于24L01的連接與調(diào)試，UATR2用來(lái)控制GSM模塊與MCU的通信。（5）外部中斷：當(dāng)從機(jī)節(jié)點(diǎn)的24L01接收到主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)后，MCU使用外部中斷對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

2.3通信模塊

通信模塊包含GSM通信模塊的接口設(shè)計(jì)和nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊的接口設(shè)計(jì)。

（1）GSM模塊與主控節(jié)點(diǎn)的MCU通過(guò)UART2的TX和RX引腳（P3.0、P3.1）相連，將GSM通信模塊收到的信息發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)MCU進(jìn)行處理，并可以通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)MCU控制GSM通信模塊發(fā)送短信息回饋給用戶手機(jī)。

（2）nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊與主控節(jié)點(diǎn)MCU通過(guò)P1.0、P1.1、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口連接，采用3.3V電源供電。nRF24L01無(wú)線模塊發(fā)送控制信息給從機(jī)節(jié)點(diǎn)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行分析，并控制LED燈組的開(kāi)關(guān)。

2.4電源模塊

電源模塊包括220/5V，5V/3.3V電路的設(shè)計(jì)：標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)電源提供220V供電電壓，而本系統(tǒng)主控節(jié)點(diǎn)MCU最小系統(tǒng)、從機(jī)節(jié)點(diǎn)MCU最小系統(tǒng)、1602顯示屏等模塊需要5V電源供電，nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊需要3.3V電源供電，所以需要將220V室內(nèi)供電電壓進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換。

首先，采用220V轉(zhuǎn)5V的電源適配器對(duì)電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其次，考慮到nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊的供電需求，設(shè)計(jì)了5V轉(zhuǎn)3.3V的轉(zhuǎn)電壓電路。

2.5從機(jī)節(jié)點(diǎn)

從機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)主機(jī)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析和控制，包括USB供電電路，8*8LED矩陣，24L01無(wú)線模塊。系統(tǒng)的從機(jī)MCU接收到主機(jī)MCU的控制命令，從而控制LED燈組的開(kāi)關(guān)。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1功能概述

照明系統(tǒng)的主控節(jié)點(diǎn)的功能為：（1）查詢檢測(cè)GSM模塊是否接收到用戶手機(jī)發(fā)送的短信息，若接收到，則對(duì)短信息進(jìn)行讀取，分析用戶短信的內(nèi)容為查詢、控制或修改密碼命令。若為查詢命令，則主機(jī)進(jìn)行查詢，將查詢結(jié)果返回給GSM模塊，GSM模塊發(fā)送給用戶手機(jī)。若為控制命令，則發(fā)送給從機(jī)節(jié)點(diǎn)。若為修改密碼命令，則修改密碼。（2）通過(guò)nRF24L01發(fā)送模塊給從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。（3）控制1602顯示屏進(jìn)行友好交互的顯示

3.2通信程序

通信程序是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的重要組成部分，GSM模塊的通信程序分為如下幾個(gè)部分：

（1）GSM通信模式的設(shè)置：系統(tǒng)首先將發(fā)送短信的模式設(shè)置為T(mén)ext模式，并對(duì)接收短信的PDU模式進(jìn)行設(shè)置。

（2）發(fā)送短信息的程序：主控節(jié)點(diǎn)MCU向GSM模塊發(fā)送AT聯(lián)機(jī)指令若連接正常，1602顯示“檢測(cè)到GSM模塊”，繼續(xù)下一步，發(fā)送短信息。先執(zhí)行信息發(fā)送指令，發(fā)送接收方號(hào)碼，再發(fā)送短信息內(nèi)容text及結(jié)束符，延遲足夠長(zhǎng)的時(shí)間，待信息發(fā)出后，在接受到的返回字符串中查找“OK”，找到則表示信息發(fā)送成功，1602顯示“begin”；若沒(méi)找到則表示短信息發(fā)送失敗，自動(dòng)重新發(fā)送，1602顯示“wait”，“begin”。

（3）短信息的接收、分析程序：首先，MCU對(duì)串口2的接收緩存區(qū)進(jìn)行查詢，發(fā)現(xiàn)0x0a即換行符即表示收到短信息，將標(biāo)志位start置為1，再將串口2收到的字符串中的11位手機(jī)號(hào)碼存入數(shù)組ask中。其次，將短信內(nèi)容統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為PDU模式接收到的字符串后，分別將前4位，5、6位存入密碼、命令數(shù)組，若還有其他位，則存入設(shè)置值數(shù)組，若檢測(cè)到“#”，則讀入結(jié)束。

分析短信時(shí)，首先將密碼字符串Usercmd.pwd中的4位字符與系統(tǒng)設(shè)定的密碼值進(jìn)行比對(duì)，若內(nèi)容一致則繼續(xù)執(zhí)行，不一致則停止分析并提示密碼錯(cuò)誤。其次，對(duì)命令字符串中的字符與命令設(shè)定值進(jìn)行比較，一致則執(zhí)行相應(yīng)的命令，均不一致，則回復(fù)“error”。最后，若有設(shè)置值字符串Usercmd.value，則依據(jù)相應(yīng)命令對(duì)RAM中的設(shè)定值進(jìn)行讀寫(xiě)。

4.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)校園照明監(jiān)控和管理的需求，設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的校園無(wú)線照明控制系統(tǒng)，使用STC12系列單片機(jī)、GSM模塊、24L01無(wú)線收發(fā)模塊及KeilC編程。本設(shè)計(jì)完成了硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件程序的編寫(xiě)，測(cè)試了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和低錯(cuò)誤率。

在日后系統(tǒng)的改進(jìn)過(guò)程中需要在故障自檢系統(tǒng)中添加，這個(gè)系統(tǒng)可以將故障的燈的編碼自動(dòng)發(fā)送到用戶手機(jī)上。本系統(tǒng)可以和智能家居結(jié)合起來(lái)，將空調(diào)、電視、冰箱、電飯鍋等設(shè)備用短信控制從而實(shí)現(xiàn)智能家居，具有一定的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。

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