機房無線電源控制系統設計

葉宗海+莊坤森+陳愷

摘要：計算機機房是高校實驗教學的重要場所，針對設備多、高耗能、設備不能單獨控制及使用壽命減短等問題，結合自身多年的機房管理經驗，提出了采用單片機與無線技術的電源控制系統。該系統由主機端和從機端兩部分組成，實現了一至多臺電腦電源的精準開關控制與管理，達到了方便管理、降低耗能與延長設備壽命等目的。

關鍵字：單片機；無線控制；電源開關；主機；從機

中圖分類號：TP368.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）15-0255-03

Abstract： Computer Lab is an important place for experimental teaching in Colleges and universities， for equipment， high energy consumption， equipment can not separate control and use of short service life of the problems， combined with years of management experience in the lab， the microcontroller and wireless power control system is presented. The system is composed of two parts， the host and the slave machine， which can achieve the precision control and management of the computer power supply， which can achieve the convenience of management， reduce the energy consumption and prolong the life of the equipment.

Key words： MCU； wireless control； power switch； host machine； slave machine

1 引言

作為計算機專業(yè)及其他各專業(yè)進行上機實驗、課程設計、畢業(yè)設計及學生自學的場所，計算機機房起著特殊且重要的作用[1]。其主要特點是電腦設備多、高使用率和高耗能，這給管理員帶來了巨大壓力。如何提高管理效率、降低電能消耗和延長設備使用壽命就顯得尤為重要。一般的機房電源控制采用有線控制方式，通過空氣開關對電腦設備進行統一開關控制，部分電腦設備不使用也處于通電狀態(tài)，存在待機消耗、布線繁瑣且不能精確開關設備電源等問題。基于以上現狀，提出了采用單片機技術的無線控制系統解決方案。

2 系統框架與功能要求

該系統由主機端和從機端兩部分組成。主機端包括上位機（PC機）和一塊主機板；從機端由一至N個從機板組成，主機端與從機端通信采用無線方式，其系統框圖如圖1所示。工作時，主機端在上位機或者板上鍵盤輸入操作，主機無線收發(fā)模塊將指令發(fā)送出去；從機端接收到后，分析判斷并通過控制模塊執(zhí)行電源開關動作；查詢PC機狀態(tài)信息時，主機端發(fā)送查詢指令，從機端接收后將相關狀態(tài)信息反饋發(fā)送回主機端分析處理，并將結果進行顯示。

系統功能要求：

（1）可控制1至N臺PC機電源的開關，最多數量為255臺；

（2）通過拔碼開關，根據需要進行從機編號，范圍1～255，編號不要求連續(xù)性；

（3）系統可以通過上位機進行聯機操作，也可以主機端單獨輸入操作；

（4）可查詢當前各從機連接的電源開關、PC機是否開機啟動等狀態(tài)，進行統計分析與顯示；

（5）配合PC機BIOS參數設置、使用多媒體教學軟件等方式，實現更多的機房管理功能，比如故障排除與維護等。

3 硬件設計

系統硬件上分為主機端和從機端兩部分。主機端包含51單片機、液晶顯示屏、矩陣鍵盤、NRF24L01無線模塊和串行口等電路；從機端包含單片機、NRF24L01無線模塊、撥碼開關和繼電器控制等電路。

3.1 單片機電路

單片機采用較常見的AT89S52，其采用先進的高密度和非易失性存儲技術，對通用的單片機指令系統和引腳分布都兼容，這樣更加完善了芯片的功能和豐富了它的靈活應用[2]。主從機均采用該型號單片機。

3.2 液晶顯示屏

顯示屏用于顯示菜單、輸入和操作信息提示、查詢結果顯示。使用LCD12864數字點陣式液晶顯示模塊，它包括128*64點的液晶面板、CMOS驅動。由于該模塊有整體的圖形點陣顯示，因而用它顯示圖形和字符[3] 。該顯示屏具有高對比度、能夠顯示漢字和字母等符號的特點，方便與51單片機連接與控制，滿足該系統的硬件要求。

3.3 矩陣鍵盤

系統用到了4 X 4 矩陣鍵盤，總共16個按鍵。各個按鍵的功能分別是：數字鍵0～9、開機鍵、關機鍵、查詢鍵、確定鍵、返回鍵和符號“-”鍵。

3.4 無線模塊

主從機使用該無線模塊進行通信，電路相類似。NRF24L01是一款工作在2.4 ～ 2.5GHz 世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其接口電路如圖2所示。

無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型 SchockBurstTM[4-5]模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器、解調器。輸出功率、頻道選擇和協議設置可以通過SPI接口設置。該模塊最高工作速率2Mbps，126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要。低功耗，待機模式下狀態(tài)為22uA，內置2.4Ghz天線，體積小巧，模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據，可直接與各種型號單片機連接使用，軟件編程方便。

3.5 串行口電路

該電路實現上位機與主機端的聯機工作，將上位機的操作指令傳送至主機端、接收的數據傳送至上位機顯示。上位機與主機端采用RS-232串口連接，由于RS-232電平與單片機TTL電平不兼容，需要進行電平轉換，使用比較常用的MAX232芯片進行電平轉換。需要注意的是，MAX232與串口座連接時，無論是數據輸出端，還是數據輸入端，連接串口座的第2引腳或第3引腳都可以，選用不同的連接方法時，單片機與計算機之間的串口線都要謹慎選擇[6]。

3.6 撥碼開關電路

撥碼開關（也叫DIP開關）是一個用來操作控制的地址開關，采用的是0/1的二進制編碼原理，每一個鍵對應的背面上下各有兩個引腳，撥至ON一側，則下面兩個引腳接通，反之則斷開[7]。從機端的撥碼開關，用于從機編號設置，方便進行控制。1個8位撥碼開關有28種不同的編碼組合，分別對應256臺從機。本系統可以根據需要對從機進行手動編號，具備良好的擴展性和靈活性。

3.7 繼電器控制電路

從機端通過該電路對電源進行開關控制。繼電器是一種常用的弱電控制強電的“自動開關”。為增強系統抗干擾和穩(wěn)定性，采用光電耦合器。光電耦合技術主要是為了解決模擬電路和數字電路的集成、交叉應用時的相互干擾問題，同時具有信號整形、降低誤操作等功能[8]。

4 軟件設計

軟件設計也分為主機端與從機端兩部分。由于軟件代碼較多，特別是NRF24L01無線模塊通信部分較復雜，因此主要介紹關鍵部分的軟件設計。

4.1 主機端主程序

程序主要實現各器件初始化、鍵盤掃描讀入、設置無線收發(fā)模塊工作方式、液晶顯示、發(fā)送各種控制指令及接收從機狀態(tài)信息等功能。主程序部分代碼如下：

void main（）

{

………//變量初始化

NRF24L01Int（）； //無線模塊初始化

uart_init（）； //串行口設置

show_12864_init（）； //液晶初始化

while（1）

{

Mode（）； //讀入工作方式

if（flag==1） //聯機工作

GetDate_Com（）； //通過上位機輸入

else // flag=0 單機工作

KeyScan（）； //使用鍵盤輸入

SentDate（）； //發(fā)送數據

NRFSetRXMode（）； //設置為接收模式

GetDate（）； //接收數據

}

}

程序執(zhí)行時，使用Mode（）函數讀入主機工作方式，根據flag標志位不同狀態(tài)，來確定上位機采用聯機工作還是單機工作方式。flag=1時為聯機工作，指令來自上位機的操作輸入；flag=0時為單機工作，指令通過4X4鍵盤輸入。主機端發(fā)送指令完成后，將無線模塊工作模式默認設置為接收狀態(tài)，以提高系統可靠性。

4.2 從機端主程序

通過撥碼開關對各從機進行編號，無線模塊接收指令，判斷是否開機、關機或查詢等操作。從機將無線收發(fā)模塊設置為接收模式后，對接收到的數據進行處理，分析判斷該指令是否針對本機操作。若是，則進行相應操作，否則將數據丟棄，不做操作并繼續(xù)處于接收數據狀態(tài)。從機操作包括電源斷開（關機）、接通（開機）和查詢狀態(tài)信息等。執(zhí)行查詢時，將電源開關等狀態(tài)參數收集后進行封裝，等待主機接收數據時通過無線模塊發(fā)送出去。

4.3 上位機編程

上位機程序與界面，使用VB編程。主要調用了MSComm控件實現數據收發(fā)與處理、數據顯示，另外還需要實現聯機、鍵盤輸入等功能。

5 系統測試

測試系統由一塊主機板和兩塊從機板組成。測試環(huán)境是在長18米、寬10.5米，面積約189平方米的機房內進行。機房內還有電腦等設備約120臺，部分處于開機通電狀態(tài)，主機板與兩塊從機板在室內任意放置。在控制距離、功能、穩(wěn)定性和抗干擾性等方面進行了測試，系統工作可靠、控制正常。變換從機端位置，進行重新測試，結果基本一致。測試結果如圖3所示，主機端執(zhí)行了全部開機功能后進行狀態(tài)查詢，主機端上顯示有兩臺開機，兩從機端對應的綠色LED燈亮代表電源接通狀態(tài)。

6 結論

實現機房資源的合理利用、降低電能消耗和延長設備使用壽命，對高校來說是非常重要的。本課題結合單片機與無線技術對機房電源控制方面進行了初步探討與實踐，實現了采用無線方式控制電源開關與管理功能。同時該系統還具備低成本、容易安裝調試及可擴展等特點。若系統再進行深度開發(fā)與改進，將在更多方面得到應用，對同類課題研究也具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]孫雋，楊延梅.高校計算機機房信息化管理的實踐與分析[J].實驗科學與技術.2013，2：170-170.

[2]孫小進.基于AT89S52單片機數據通信終端設計[J].電子設計工程，2013，22：20-22.

[3]史良.LCD12864顯示模塊與微處理器的接口設計[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，1999，5：16-17.

[4]Jangwooh Jeon.Single chip 2.4 GHz Transceiver nRF24L01[R].Europe：Nordic Semiconductor ASA，2005：15-19.

[5]Hee Sank John，Hakchul Jang.2.4 GHz ISM band transceiver[J].Microwave Engineering Europe，2008.5（1）：2-5.

[6]郭天祥.51單片機C語言教程-入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[J].電子工業(yè)出版社，2013.130-130.

[7]劉洪明，莊展增，林寶偉.撥碼開關錯漏撥檢測裝置設計[J].日用電器，2015，08：80.

[8]謝子青.光電隔離抗干擾技術及應用[J].現代電子技術，2003，13：33-34.