《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種異網(wǎng)組合的遠程無線控制系統(tǒng)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
胡景春1,,2,,曾錫山3,,劉紅亮1,施計彬2
1.南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院,,江西 南昌330063; 2.江西應(yīng)用科技學(xué)院,,江西 南昌330100,; 3.江西新源電測儀器有限公司,江西 新余338004
摘要: 以單片機STC12C5A60S2和單片無線通信模塊WISMO228,、無線射頻收發(fā)器nRF24L01為基礎(chǔ),,采用遠程無線通信和近距離無線局域網(wǎng)相結(jié)合的方法,設(shè)計并實現(xiàn)遠程無線控制系統(tǒng),。系統(tǒng)使用手機進行遠程控制,,局域控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用電源插頭方式,可以“即插即用”,、隨意組合,,應(yīng)用領(lǐng)域較寬,性價比較高,。
中圖分類號: TP273+.3
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)06-0073-04
A heterogeneous combination of remote wireless network control system
Hu Jingchun1,,2,Zeng Xishan3,,Liu Hongliang1,,Shi Jibin2
1.College of Information Engineering, Nanchang Hangkong University,,Nanchang 330069,China,; 2.Jiangxi College of Science and Technology,Nanchang 330100,,China; 3.Jiangxi Xinyuan Electrical Measuring Instrument Co.,,Ltd.,,Xinyu 338004,China
Abstract: This paper introduces the design and implementation of a wireless remote control system. In this system, the combined method of remote wireless communication and short distance wireless LAN is applied and it is based on the single chip microcomputer STC12C5A60S2, the wireless communication module chip WISMO228 and wireless RF transceiver nRF24L01 . Mobile phone is used as remote control, and the power plug as local control network node which is called as "plug and play". Therefore, such a system is free combinatorial, wide application field, high ratio of performance to price.
Key words : single chip microcomputer,;wireless communication module,;wireless remote control;wireless local area network

    

0 引言

    無線控制系統(tǒng)由于構(gòu)建比較簡單,,且適應(yīng)于遠,、近距離的無線連接,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及自動控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用,。本系統(tǒng)以普通單片機STC12C5A60S2和單片無線通信模塊WISMO228為基礎(chǔ),,采用遠程無線通信和近距離無線局域網(wǎng)相結(jié)合的方法,設(shè)計并實現(xiàn)遠程無線控制系統(tǒng),。

1 設(shè)計思想

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已滲透到人們生活的各個領(lǐng)域[1]。人們希望打破通信受地理環(huán)境,、時空限制等因素的影響,,能夠隨時隨地對多種物體進行通信及監(jiān)控。因此,,在很多應(yīng)用領(lǐng)域,,無線通信逐漸取代了有線通信,無線控制取代了有線控制,。無線控制要解決的首要問題是信息的無線傳輸,,包括遠距離無線通信和監(jiān)控現(xiàn)場受控節(jié)點的無線連接。目前國內(nèi)有多種方案,,但其遠距離通信主要是基于微機,、平板電腦、ARM,,現(xiàn)場節(jié)點控制主要采用ZigBee,、WiFi等,系統(tǒng)相對比較復(fù)雜,,成本也較高,,真正投入實際應(yīng)用不很方便[1]

    針對遠程控制系統(tǒng)存在的不足,,本系統(tǒng)的設(shè)計注重研究和解決了以下技術(shù)問題:

    (1)直接使用人們最廣泛使用的智能手機作為遠程控制器,,用Android系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用軟件,,與控制現(xiàn)場控制器進行無線通信,實現(xiàn)遠程控制,。

    (2)現(xiàn)場控制器以STC12C5A60S2和WISMO228為核心進行設(shè)計,。單片機實現(xiàn)遠程通信控制、現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點控制以及人-機交互控制,,是系統(tǒng)控制核心,;WISMO228用來實現(xiàn)和手機之間的GSM/GPRS通信;控制器中設(shè)計了nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊,,作為現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點,,具有和現(xiàn)場控制各個從節(jié)點進行無線信號傳輸?shù)墓δ堋?/p>

    (3)設(shè)計“即插即用”方式的無線射頻控制節(jié)點,,又稱為無線控制插頭,,作為現(xiàn)場控制從節(jié)點。為了使現(xiàn)場控制實用方便,,避免重新布設(shè)有線控制連接的困難,,該控制節(jié)點設(shè)計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)點使用,。在無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

    系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要有現(xiàn)場控制器設(shè)計和無線控制插頭設(shè)計。

2.1 主要器件簡介

    (1)STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的CMOS高性能增強型8 bit 51系列單片機,,內(nèi)有60 KB的Flash和1 280 B的RAM,,有36個I/O口,其驅(qū)動電流高達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個頻段(850、900,、1 800,、1 900 MHz)的GPRS方式,,傳輸速度支持GPRS Class 10級別標準。與微處理器連線簡單,,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,、進行異步串行通信、PWM控制,、工作狀態(tài)信號輸出,、外接天線、可編程I/O,、A/D轉(zhuǎn)換以及電源等,。

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    (3)nRF24L01無線射頻收發(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),,標準供電為3.3 V,電流損耗較少,。該芯片節(jié)點工作頻道多達125個,,頻道之間切換時間短,可實現(xiàn)點與點之間的一對一,、一對多雙向無線數(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自動檢驗功能,。芯片接收到數(shù)據(jù)能自動發(fā)送應(yīng)答ACK信號,,發(fā)送失敗后能自動重發(fā)數(shù)據(jù),為無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關(guān)轉(zhuǎn)換,,實現(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700 V高壓功率MOSFET開關(guān)電路和1個電源控制電路,只需簡單的電路連接就可實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換,,用于“即插即用”式無線控制節(jié)點受控插頭的控制電路供電,,實現(xiàn)對電器的控制。

2.2 現(xiàn)場控制器設(shè)計

    現(xiàn)場控制器包括微控制器,、WISMO228模塊及外圍電路,、無線射頻nRF24L01模塊、人機交互電路,、電源等,,其框圖如圖2所示。WISMO228通過UART與STC12C5A60S2連接,。nRF24L01通過SPI接口與微處理器相連,,并與從節(jié)點控制器的nRF24L01模塊進行無線通信,構(gòu)成節(jié)點網(wǎng)絡(luò),。人機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SPI接口連接微處理器,向用戶提供監(jiān)視界面,,顯示電器設(shè)備的工作狀態(tài),。一組獨立式按鍵可自定義功能。LED顯示無線節(jié)點工作狀態(tài),。這里主要介紹WISMO228模塊和nRF24L01模塊,。

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    (1)WISMO228模塊及其控制

    WISMO228通過SMS外圍接口建立無線通信鏈路,接收和發(fā)送控制信息,。此接口完全符合GSM11.11標準規(guī)范,,作為用戶登錄GSM網(wǎng)絡(luò)的身份驗證,系統(tǒng)使用6腳SIM卡,,支持1.8 V電壓輸入,。

    WISMO228與單片機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信號線直接與WISMO228模塊的對應(yīng)信號線相連接,;WISMO228的ON/OFF引腳,,與單片機的P1.1腳相連,,通過單片機控制使該引腳在上電后保持低電平至少為685 ms;單片機的復(fù)位信號RESET通過T9實現(xiàn)信號的變換和隔離,,實現(xiàn)低電平復(fù)位,;RXD(接收)和TXD(發(fā)送)引腳分別連接單片機的RX和TX引腳,進行串行通信,,單片機通過串行通信傳送命令和數(shù)據(jù),,控制WISMO228進行遠程信息傳輸;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,以保證無線信號傳輸[2],。

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    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,,最后點亮,表示模塊初始化和正常啟動,;SIM_VCC引腳連接LED2,,用來顯示SIM卡狀態(tài),若SIM卡連接正常,,則LED2被點亮,;TX_CTRL引腳連接LED1,用來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,;P2.1控制CSN,作為nRF24L01片選信號,;P2.2控制SCK,,作為nRF24L01的時鐘;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[4],。

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2.3 無線控制插頭設(shè)計 

    無線控制插頭是作為系統(tǒng)控制現(xiàn)場的無線控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,總體框圖如圖5,。電路主要由MCU(AT89C2051)模塊,、無線節(jié)點模塊、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線接收數(shù)據(jù)和繼電器工作。nRF24L01芯片與現(xiàn)場控制器中的無線節(jié)點模塊,,組建近距離的無線網(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通斷時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)場控制器中的電路類似,,在此不再介紹。

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    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啟動和進入穩(wěn)定工作狀態(tài)時,,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,,控制功率場效應(yīng)開關(guān),當輸入此引腳的電流超過49 μA時,,場效應(yīng)開關(guān)失效,;S為源極引腳,構(gòu)成功率場效應(yīng)開關(guān)的源極,,同時也作為 BP和FB引腳的接地參考點,。該電路能輸出5 V電壓和120 mA電流,對插頭內(nèi)無線控制電路供電,能滿足控制電路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D7和D8全波整流,再通過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)短路或電流值過大時能起到熔斷保險的作用,;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進行反向時間的快速恢復(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C33的電壓進行分壓,使得芯片反饋引腳FB電壓為1.65 V時,,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作為假負載[7-8]

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3 單片機控制程序設(shè)計

    主要包括現(xiàn)場控制器中的STC12C5A60S2控制軟件和無線控制插頭中的AT89C2051控制軟件,。

3.1 現(xiàn)場控制器程序設(shè)計

    圖7是現(xiàn)場控制器控制主流程,,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等無線通信工具發(fā)送的遠程控制指令,,當有新指令信息到達時,WISMO228通過AT指令將控制信息內(nèi)容傳送給STC12C5A60S2,。單片機根據(jù)控制命令的要求將信息通過無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的無線控制插頭節(jié)點,,并隨時接收現(xiàn)場節(jié)點反饋的狀態(tài)信號,顯示控制狀態(tài),同時向手機發(fā)送狀態(tài)信息,。

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    手機和現(xiàn)場控制器之間通過AT指令傳送命令和數(shù)據(jù),,采用ASCII碼方式。系統(tǒng)定義對控制信號采用統(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),、“G”(定量),、“C”(關(guān)閉);字符6為受控節(jié)點號“1”~“8”,;字符7~10為定時或定量數(shù)據(jù),,定時以s表示,可以定時0~9 999 s,;定量是指對固態(tài)繼電器控制導(dǎo)通電量的大小,,以0~220對應(yīng)接通交流電壓的大小,以便對可調(diào)電壓的電器進行控制[3],。

3.2 無線控制插頭程序設(shè)計

    圖8是無線控制插頭中AT89C2051的控制主流程,,對中斷系統(tǒng)和nRF24L01進行初始化后,就處于待機狀態(tài),。當nRF24L01接收到主節(jié)點發(fā)送的命令,,就向單片機發(fā)中斷,單片機讀取命令并進行判斷,,若為本節(jié)點的指令,,就處理和執(zhí)行指令。

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    控制現(xiàn)場的局域無線網(wǎng)絡(luò)是由1個現(xiàn)場控制器的nRF24L01主節(jié)點和若干個無線插頭的nRF24L01從節(jié)點構(gòu)成,。nRF24L01設(shè)置為增強型ShockBurstTM 工作方式。在發(fā)送,、接收程序設(shè)計中,,主節(jié)點采用“發(fā)送→等待從機成功接收的應(yīng)答信號→發(fā)送下個數(shù)據(jù)”的控制過程,若規(guī)定時間內(nèi)未收到應(yīng)答信號,,主節(jié)點重發(fā)當前的數(shù)據(jù),,直至收到ACK應(yīng)答信號。從節(jié)點則對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗、分析和處理,,執(zhí)行相關(guān)操作命令,,并向主節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信號。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及功能擴展

    系統(tǒng)以其在智能家居方面的實際應(yīng)用作為實例進行了實驗,,用1個現(xiàn)場控制器和5個無線控制插頭構(gòu)成一個家居環(huán)境中的局域無線網(wǎng)絡(luò),,5個插頭分別作為空調(diào)機、電視機,、換氣扇,、照明燈、噴水器的電源插頭,,以手機短信發(fā)送控制命令,,實現(xiàn)了對家電的遠程控制。例如:手機發(fā)送“####T31800”命令,,可啟動換氣扇開機換氣30 min,;發(fā)送“####G50100”,可啟動家庭噴水器以適當?shù)拈_啟度澆花等等,并把現(xiàn)場工作狀態(tài)發(fā)送給手機,。

    系統(tǒng)采用現(xiàn)代無線通信技術(shù)和近距離無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相結(jié)合的控制方法,,較好地實現(xiàn)了遠程控制的實用化,系統(tǒng)控制現(xiàn)場組網(wǎng)簡潔,,受控節(jié)點可多可少,,控制對象連接方便。系統(tǒng)有較大的應(yīng)用擴展空間,,例如:可以利用多種遠程無線通信工具作為控制器,;可以在手機上開發(fā)Android控制軟件,使之具有良好的遠程人機交互界面,;可以設(shè)計研制不同功能的無線控制插頭,,滿足不同的遠程操控需求。

參考文獻

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