0 引言

    無(wú)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(wú)線連接,，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及自動(dòng)控制中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,。本系統(tǒng)以普通單片機(jī)STC12C5A60S2和單片無(wú)線通信模塊WISMO228為基礎(chǔ),，采用遠(yuǎn)程無(wú)線通信和近距離無(wú)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(wú)線控制系統(tǒng),。

1 設(shè)計(jì)思想

    隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,，無(wú)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(wú)線通信逐漸取代了有線通信，無(wú)線控制取代了有線控制,。無(wú)線控制要解決的首要問(wèn)題是信息的無(wú)線傳輸,，包括遠(yuǎn)距離無(wú)線通信和監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)受控節(jié)點(diǎn)的無(wú)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(wèn)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(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件,，與控制現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行無(wú)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(lái)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(wú)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(wú)線信號(hào)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

    (3)設(shè)計(jì)“即插即用”方式的無(wú)線射頻控制節(jié)點(diǎn)，又稱(chēng)為無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(wú)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(wú)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(guò)UART與STC12C5A60S2連接,。nRF24L01通過(guò)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(wú)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(guò)SPI接口連接微處理器,，向用戶(hù)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(wú)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(guò)SMS外圍接口建立無(wú)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(hù)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(lái)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(lái)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(guò)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(wú)線控制插頭設(shè)計(jì) 

    無(wú)線控制插頭是作為系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊,，組建近距離的無(wú)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(lèi)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(kāi)關(guān),，當(dāng)輸入此引腳的電流超過(guò)49 μA時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)失效,；S為源極引腳,，構(gòu)成功率場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)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(wú)線控制電路供電,，能滿(mǎn)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(guò)D7和D8全波整流,，再通過(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的無(wú)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(guò)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(wú)線控制插頭程序設(shè)計(jì)

    圖8是無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(wú)線控制插頭構(gòu)成一個(gè)家居環(huán)境中的局域無(wú)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(kāi)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_(kāi)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(wú)線通信技術(shù)和近距離無(wú)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(wú)線通信工具作為控制器,；可以在手機(jī)上開(kāi)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(wú)線控制插頭,，滿(mǎn)足不同的遠(yuǎn)程操控需求,。

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