摘  要： 設(shè)計(jì)了一種電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng),。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對多臺電器電源的手動(dòng)開關(guān)、本地計(jì)算機(jī)遙控開關(guān),、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端控制開關(guān)三種控制方式的實(shí)時(shí)或定時(shí)控制,，同時(shí)在本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端中提供了顯示受控電器的電源通斷狀態(tài)。系統(tǒng)硬件通過USB接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信,，通過無線電實(shí)現(xiàn)對電器的監(jiān)控,，并采用了跳頻和時(shí)分技術(shù)，克服了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題,。
關(guān)鍵詞： 無線監(jiān)控,；USB接口；同頻干擾,；電器開關(guān)

　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展,，人們越來越追求舒適、便捷的生活方式，對家居的要求也趨向于智能化,、自動(dòng)化,。電子技術(shù)在智能家居產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，而融合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的家居控制系統(tǒng)更給人們的生活帶來了全新的體驗(yàn)?，F(xiàn)有的家居電器控制系統(tǒng)可通過電話線,、GSM網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)等方式實(shí)現(xiàn)對電器的遠(yuǎn)程控制[1-3],，但控制方式比較單一,，也比較少涉及對電器開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)視，遠(yuǎn)程用戶實(shí)際上是處于　一種盲操作狀態(tài)：既不知當(dāng)前電器開關(guān)狀態(tài),，也不知操作后電器的執(zhí)行情況,。
本文所述的電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對電器開關(guān)多種方式的控制，而且也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對電器開關(guān)多種方式的監(jiān)視,，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的監(jiān)控,。具體包括如下幾種方式：
　（1）手動(dòng)開關(guān)監(jiān)控,。和人們的日常習(xí)慣相同,，通過手動(dòng)控制開關(guān)，同時(shí)通過開關(guān)指示燈提示開關(guān)的狀態(tài),。
?。?）遙控開關(guān)監(jiān)控。利用本地計(jì)算機(jī)集中控制開關(guān),，并能在計(jì)算機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示各個(gè)開關(guān)的狀態(tài),，方便辦公室或家居用戶對所有電器的集中監(jiān)視、控制和管理,。如辦公人員下班前即可在電腦前完成對辦公室所有電器的集中檢查,，關(guān)掉不必要的電器,，以節(jié)約能源并減少安全隱患,。
　（3）遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)開關(guān)監(jiān)控,。通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),，在遠(yuǎn)程終端中實(shí)現(xiàn)對開關(guān)的控制，并能夠顯示開關(guān)的通斷狀態(tài),，方便遠(yuǎn)程控制端的用戶對電器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視,。如辦公人員下班以后、或者遇到雷電天氣時(shí),，完成對辦公室所有電器的集中檢查,，關(guān)掉不必要的電器，以節(jié)約能源并減少安全隱患。
系統(tǒng)采用USB作為硬件設(shè)備與上位機(jī)的通信接口,，既可實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的即插即用,，又為設(shè)備提供了電源，免去外置電池,，利用計(jì)算機(jī)作為控制平臺,，則可借用其豐富的硬件資源，方便地實(shí)現(xiàn)對電器多種方式的靈活控制,。此外,，系統(tǒng)采用跳頻和時(shí)分技術(shù)，解決了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題,，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)采用了本地計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端,、主控制設(shè)備及從設(shè)備的框架結(jié)構(gòu),，如圖1所示。本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端的上位機(jī)應(yīng)用程序負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的控制指令并傳給主控制設(shè)備,，由后者控制相應(yīng)的從設(shè)備做出響應(yīng),；從設(shè)備除控制電器電源開關(guān)外還負(fù)責(zé)采集其狀態(tài)信息，以供主控設(shè)備返回給上位機(jī),。

　主控制設(shè)備與多個(gè)從設(shè)備間采用無線雙向傳輸方式,，以避免設(shè)備安裝時(shí)布線的麻煩。常用的無線傳輸方式有藍(lán)牙技術(shù),、ZigBee技術(shù)和基于nRF24L01射頻收發(fā)器件的2.4 GHz無線傳輸,、基于PT2262/PT2272編解碼芯片的315 MHz或433 MHz無線傳輸?shù)萚3-5]?？紤]到系統(tǒng)中每個(gè)受控電器均需一個(gè)從設(shè)備來單獨(dú)控制,，因此從設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單及成本低廉顯得尤為重要，故本設(shè)計(jì)采用基于PT2262/PT2272的無線傳輸方式,，并采用跳頻技術(shù)和分時(shí)技術(shù)來克服干擾問題,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　硬件電路系統(tǒng)包括一個(gè)主控制設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備，每個(gè)從設(shè)備控制并監(jiān)測一臺電器,。主控制設(shè)備通過USB接口與上位機(jī)通信,，接收來自上位機(jī)的控制指令并解析，然后將其通過無線電傳給相應(yīng)的從設(shè)備,，同時(shí)等待并接收從設(shè)備的反饋信息,；相應(yīng)的從設(shè)備接收到控制指令后，做出相應(yīng)的響應(yīng),，如改變電器電源通斷狀態(tài)或返回電器狀態(tài)信息等,。
2.1 主控制設(shè)備電路
　主控制設(shè)備電路由控制電路、USB接口電路和無線電發(fā)射/接收模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。USB接口電路用于與上位機(jī)的通信,，無線電發(fā)射/接收模塊用于與從設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，兩者均受控于單片機(jī)控制電路,。

　單片機(jī)控制電路選用ATMEL公司的8 bit微處理器AT89S52作為主控芯片,。USB接口電路采用PHILIPS公司接口芯片PDIUSBD12設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
　發(fā)射模塊向各個(gè)從設(shè)備發(fā)送控制指令,，接收模塊則實(shí)時(shí)監(jiān)聽各個(gè)從設(shè)備返回的電器狀態(tài)信息,。無線電發(fā)射/接收模塊由編解碼芯片PT2262/PT2272及高頻發(fā)射/接收模塊F05R和J05U組成，可實(shí)現(xiàn)315 MHz或433 MHz頻段的無線電通信,。編碼芯片PT2262發(fā)出由地址碼,、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成的編碼信號,，解碼芯片PT2272接收到編碼信號后進(jìn)行發(fā)送端地址碼與接收端地址碼的比較判斷,，地址一致則解碼有效，否則無效,，其中發(fā)送端與接收端的地址碼均由各自的地址引腳電平?jīng)Q定,。然而基于PT2262/PT2272的無線傳輸方式頻段少且?guī)捳?dāng)系統(tǒng)中兩個(gè)或兩個(gè)以上的發(fā)射模塊同時(shí)工作時(shí)容易造成同頻干擾等問題,。解決此類問題的方法有跳頻技術(shù),、分時(shí)技術(shù)等[6]。本系統(tǒng)同時(shí)采用了這兩種技術(shù),。

?。?）采用跳頻技術(shù)，即主設(shè)備向各個(gè)從設(shè)備的無線傳送采用433 MHz頻段,，而各個(gè)從設(shè)備向主設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)則用315 MHz,。但由于各個(gè)從設(shè)備的發(fā)射頻率均為315 MHz，仍存在同頻干擾的問題,。
?。?）采用分時(shí)技術(shù)，以保證任意時(shí)刻最多只有一個(gè)無線發(fā)射模塊在工作,。具體措施為：借鑒USB總線傳輸協(xié)議中主機(jī)發(fā)起傳輸,、從機(jī)響應(yīng)主機(jī)請求的半雙工傳輸機(jī)制，由主設(shè)備發(fā)出“改變電器狀態(tài)”或“返回電器狀態(tài)”的指令,，相應(yīng)的從設(shè)備收到后做出被動(dòng)響應(yīng)，而主從設(shè)備的發(fā)射模塊只有在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才開啟,，其余時(shí)間均關(guān)閉,，以避免成為其他發(fā)射模塊的干擾源。如此，只要主設(shè)備分配好各個(gè)發(fā)射模塊的工作時(shí)間,，不令兩個(gè)以上的從設(shè)備同時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)即可避免同頻干擾了,。
　為配合分時(shí)抗干擾的應(yīng)用，在主控制設(shè)備的硬件電路中,，主控芯片AT89S52需對無線電發(fā)射模塊進(jìn)行使能控制,，通過一個(gè)I/O引腳控制發(fā)射模塊的工作電源，以實(shí)現(xiàn)只有在需要發(fā)射信號時(shí)才導(dǎo)通電源,，其余時(shí)間則斷開,。設(shè)置連續(xù)控制從設(shè)備的時(shí)間間隔為1 s，這樣就很好地解決了同頻干擾的問題,。
2.2 從設(shè)備電路
　從設(shè)備電路包括電源轉(zhuǎn)換,、繼電器電路、無線發(fā)射接收和控制等模塊,，其電路如圖3所示,。無線電發(fā)射接收模塊分別用于返回電器狀態(tài)信息和接收主控制設(shè)備的控制信號；控制模塊依據(jù)無線接收模塊和手動(dòng)開關(guān)的控制信號來控制繼電器電路的通斷狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)對電器的電源控制,。

　從設(shè)備無線電發(fā)射接收模塊的電路設(shè)計(jì)與主控制設(shè)備的類似。PT2262接收主設(shè)備的控制信號,，并通過D0和D1引腳輸出,，其中D0引腳的電平變化表示“改變電器的開關(guān)狀態(tài)”，D1引腳電平變化則表示“返回電器開關(guān)狀態(tài)”,。此外,，無線發(fā)射模塊中的F05R電源地引腳受控于控制模塊的發(fā)射使能信號，使能信號有效時(shí),，才啟動(dòng)并返回設(shè)備的開關(guān)狀態(tài),。
　本系統(tǒng)電器的三種控制方式有：手動(dòng)開關(guān)控制、本地計(jì)算機(jī)遙控開關(guān)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端控制開關(guān),，后兩種控制方式是上位機(jī)應(yīng)用軟件通過主控制設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送無線控制信號來完成的,。為實(shí)現(xiàn)這三種方式的相互獨(dú)立控制，在從設(shè)備中,，控制模塊采用74LS86組成“異或”電路,，如此，則無論輸入端的手動(dòng)開關(guān)控制信號還是無線控制信號發(fā)生變化都會(huì)導(dǎo)致輸出端信號的變化,，從而引起電器電源通斷變化,，達(dá)到手動(dòng)控制與軟件控制互不干擾的目的。
　為解決無線電相互干擾的問題,，同樣需要對無線電的發(fā)射模塊進(jìn)行使能控制,。使能電路實(shí)際為由NE556雙時(shí)基電路構(gòu)成的兩個(gè)“暫穩(wěn)態(tài)”時(shí)間均為1 s的單穩(wěn)態(tài)電路,。接收模塊的D1信號及其反信號~D1分別作為兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)輸入，而它們的輸出則經(jīng)過相“與”后作為發(fā)射模塊的使能信號,。如此,，只需D1電平的變化即可觸發(fā)無線電發(fā)射模塊工作1 s?？紤]到兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)輸出低電平的情況,，為節(jié)約資源，采用了74LS86空閑的兩個(gè)“異或”門實(shí)現(xiàn)相“與”的功能,。
從設(shè)備控制核心結(jié)構(gòu)簡單,，穩(wěn)定可靠，成本低廉,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)應(yīng)用程序和單片機(jī)AT89S52固件程序的設(shè)計(jì),，前者為用戶提供本地客戶端和遠(yuǎn)程客戶端的電器監(jiān)控界面并進(jìn)行相應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)處理；后者控制PDIUSBD12響應(yīng)計(jì)算機(jī)的請求,，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的USB通信,。此外，還通過無線發(fā)射/接收模塊完成對各個(gè)從設(shè)備的無線監(jiān)控,。
3.1 上位機(jī)應(yīng)用程序

　上位機(jī)軟件分為本地客戶端和遠(yuǎn)程客戶端兩部分,，分別應(yīng)用于本地計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)終端平臺，兩者均是通過VC編程實(shí)現(xiàn),。
　本地客戶端軟件由用戶控制界面,、狀態(tài)顯示界面、錯(cuò)誤警告,、網(wǎng)絡(luò)接口,、數(shù)據(jù)處理和USB接口等模塊組成，如圖4所示,。用戶控制界面模塊用于采集用戶的控制信息,，由數(shù)據(jù)處理模塊打包后通過USB接口模塊傳輸至硬件設(shè)備；數(shù)據(jù)處理模塊同時(shí)還接收硬件設(shè)備返回的受控電器的狀態(tài)信息和錯(cuò)誤警告信息,，并分別提供給狀態(tài)顯示界面模塊和錯(cuò)誤警告模塊,；網(wǎng)絡(luò)接口模塊則為通過了密碼驗(yàn)證的遠(yuǎn)程客戶端軟件提供數(shù)據(jù)接口。
用戶控制界面上包含了刷新,、開/關(guān)和定時(shí)等按鈕,，分別用于刷新所有受控電器的狀態(tài)、實(shí)時(shí)和定時(shí)控制某個(gè)電器的開關(guān),，當(dāng)按鈕點(diǎn)擊事件處理函數(shù)捕獲到某個(gè)按鈕被按下時(shí),，即將此控制信息傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。
狀態(tài)顯示界面模塊接收電器的狀態(tài)信息并顯示在界面上,。電器的顯示狀態(tài)有兩種更新狀態(tài),，一是用戶控制某個(gè)電器的開或關(guān)時(shí),，刷新顯示該電器執(zhí)行指令后的狀態(tài),；二是用戶點(diǎn)擊控制界面上的“刷新”按鈕時(shí),，刷新顯示所有受控電器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

　本設(shè)計(jì)的USB接口硬件屬于人機(jī)接口設(shè)備HID（Human Interface Device）類別,，設(shè)備首次接上計(jì)算機(jī)主機(jī)時(shí),，Window系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為其安裝驅(qū)動(dòng)程序。上位機(jī)的USB接口模塊首先調(diào)用Win32 API函數(shù)CreateFile（）打開設(shè)備,，并取得訪問設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄,，然后通過ReadFile（）及WriteFile（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)與硬件HID設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。
　遠(yuǎn)程客戶端軟件的設(shè)計(jì)除了沒有USB接口模塊外,，其他的與本地客戶端軟件類似,，兩者通過網(wǎng)絡(luò)接口模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
3.2 單片機(jī)固件程序
　固件程序使用Keil C51開發(fā),。USB通信信道的建立及數(shù)據(jù)的交互是在中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)的,，程序通過判斷PC主機(jī)請求中斷的類型來作出不同的響應(yīng)。對從設(shè)備的無線監(jiān)控則是在主程序循環(huán)中實(shí)現(xiàn),， 其流程圖如圖5所示,。主程序初始化完成后便不斷地檢測上位機(jī)是否有控制指令下傳，若有,，則進(jìn)行解析,。若控制指令為“改變電器狀態(tài)”指令，則設(shè)置相應(yīng)的無線發(fā)射地址,，發(fā)送指令,，并稍作延遲后再次向該從設(shè)備額外發(fā)送“返回電器狀態(tài)”指令，令其返回指令執(zhí)行后的電器狀態(tài)信息,；若為“刷新電器狀態(tài)”指令,，為避免同頻干擾，主程序并不一起命令所有從設(shè)備同時(shí)返回狀態(tài)信息,，而是以輪詢方式,，即首先向第一臺從設(shè)備發(fā)送指令并接收其返回的狀態(tài)信息，然后更改發(fā)射地址,，向第二臺從設(shè)備發(fā)送指令,，如此循環(huán)，直到取得所有電器的狀態(tài)信息,。由于每個(gè)從設(shè)備接收到刷新指令后都會(huì)觸發(fā)其發(fā)射模塊工作1 s,，所以在輪詢過程中，只要主設(shè)備在向下一個(gè)從設(shè)備發(fā)送控制指令前延遲1 s,，使得連續(xù)控制從設(shè)備的時(shí)間間隔為1 s以上,，即可避免多個(gè)從設(shè)備的發(fā)射模塊一起工作的情況,，即可解決同頻干擾的問題。

　本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng),，可實(shí)現(xiàn)對電器開關(guān)多種方式的靈活控制和實(shí)時(shí)監(jiān)視,，實(shí)現(xiàn)了對電器開關(guān)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。設(shè)計(jì)采用USB接口,，實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的即插即用,，并且靈活地借用了計(jì)算機(jī)豐富的硬件資源，無需復(fù)雜的硬件電路即可實(shí)現(xiàn)對家用電器的各種控制,。此外,，設(shè)計(jì)采用跳頻和時(shí)分技術(shù)，解決了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題,，提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性,，降低了開關(guān)從設(shè)備的成本。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及功能均得到了最終的實(shí)物驗(yàn)證,。
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