基于GSM网络的远程遥控空气开关系统

邹 恩，霍 庆，黄浩扬，杨华青

（华南农业大学 工程学院，广州 510642）

目前无论在工业用电还是家庭用电上，空气开关发挥着重要保护作用，但是空气开关不具备定时跳闸和遥控跳闸的功能，脱离不了人工近距离控制。如果工作人员下班后忘记关断用电设备电源，就必须有能够接触到电源开关的人才能切断电源；又如需要远距离紧急关断建筑内所有用电设备，或者在下班后定时断电，让在场人员自觉离场，这都需要人工操作[1]。

目前市场上的常用遥控开关多为基于短距离电磁波或以太网传输形式，缺点是传输距离短、对遥控设备的功率有限制、功能单一等。随着全球移动通信技术的不断发展，GSM无线通讯技术的短信息（SMS）因其具备随时在线、广范围覆盖性、可靠性高的特点，被广泛应用于各种数据通讯设备[2]。

本文提出一种不受时间、地点限制，利用手机遥控实现瞬时跳闸、指定时间合闸的空气开关控制系统，开关通断的时间点可通过手机键盘实时修改。目前该系统已通过用户的验收，应用在建筑中可方便用电的规范管理。

1 控制系统总体设计

远程遥控空气开关系统包括手机端发射模块、GSM接收模块、主控芯片STC12C5052AD、继电器模块、空气开关模块、时钟模块。首先在单片机程序中设置唯一可以控制该装置的手机号码，由该号码手机端发射模块发出一组可识别的信息，可控制空气开关定时和随时跳闸。每次空气开关动作后系统发送空气开关的状态信息到手机上，手机用户能够实时获取反馈信息，了解系统是否正常工作。SIM卡中短信的数量达到50条后，单片机发送清除短信命令以保证GSM模块正常运作，从而确保整个系统的长时间稳定运行。

时钟模块PCF8563提供时钟信号，并且GSM模块接收信息时单片机获取移动网络端的标准时间，校正时钟芯片的时间，保证时间的准确性；通过主控芯片设定的时间与时钟模块时间做比较，发出控制命令，且该设定时间可由手机信号命令随时修改，每次修改后的时间和空气开关的状态保存在单片机自带的E2PROM中，保证系统断电后保持上一次空气开关的状态，满足定时控制空气开关的要求。系统控制框图如图1所示。

图1 控制系统框图Fig.1 Diagram of control system

2 系统硬件设计

硬件部分主要包括：MCU单片机模块、GSM模块、时钟模块、继电器模块、空气开关模块5部分。

2.1 主控芯片选型

本系统选用STC12C5052AD单片机，指令代码完全兼容传统8051，是一款单时钟、机器周期和低功耗的单片机。工作电压范围2.4～3.8 V；用户可利用的程序空间高达5 K字节；片上集成了256字节的RAM；支持ISP（在系统可编程）和IAP（在应用可编程）[3]。

2.2 单片机核心控制模块

单片机核心控制模块的设计主要包括MCU单片机的最小系统与时钟芯片、GSM模块、继电器的连接设计。其中P3.0、P3.1作为与GSM模块通信的串口；P3.5为采用三极管9013驱动的继电器引出端；P1.5和P1.4分别作为时钟芯片PCF8563的I2C通信的数据线和时钟线；单片机外接11.0592MHz晶振，保证时钟准确；主控电路原理如图2所示。

2.3 GSM通信模块

本系统使用的是Siemens公司生产的TC35I模块，TC35I集成了标准的RS232接口以及SIM卡，可在计算机上用AT指令通过串口发送命令进行设置，这使它成为在数据通讯上通用的一个GSM终端产品[4]。该模块主要由两部分电路组成：TC35I电路和SIM卡电路。

2.4 时钟模块

PCF8563芯片外接32.768 kHz晶振，保证走时准确，掉电保护电路由BT1、D1和D2构成，满足芯片连续工作。时钟线SCL与单片机的P1.4连接，数据线SDA与单片机的P1.5连接。时钟线和数据线分别用一个上拉电阻与正电源相连，其数据只有在总线不忙时才可传送[5]。时钟模块如图3所示。

图3 PCF8563电路图Fig.3 Circuit diagram of PCF8563

2.5 继电器模块

继电器是一种电子控制器件，可用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器模块采用SRD-5VDC-SL-C松乐继电器，工作电压为DC5V，可控制AC220V的用电设备，用于控制空气开关跳闸，继电器电路如图4所示。

图4 继电器模块电路Fig.4 Circuit of relay

COM1口与单片机的P3.5脚相连，当该口输出高电平时，继电器从常开状态转为常闭状态；输出低电平时，继电器从常闭状态转为常开状态。

2.6 空气开关模块

选用正泰空气开关DZ47LE，该开关采用VG54123芯片构成漏电保护器，具有漏电、过流保护等功能[6]，空气开关内部电路如图5所示。

图5 空气开关内部电路图Fig.5 Circuit diagram of air automatic sw itch

D1-D4为整流桥，KM为继电器，SB为常开按钮，ZTA为零序电流互感器，监测漏电流，SCR为晶闸管，虚线框内为VG54123芯片的内部电路图。当SB按钮按下时，空气开关自动跳闸。基于这个原理，继电器的输出回路与SB按钮并联，通过继电器的闭合来控制空气开关跳闸，形成一种新型可遥控的开关。

3 系统软件设计

系统软件设计主要使用C51语言编程，在Keil uVision4环境下调试完成。程序主要包括硬件初始化程序，GSM模块程序，PCF8563时钟芯片程序和中断服务程序。GSM模块程序接收手机端发送的信息并回显给MCU；时钟芯片程序主要是向MCU提供时钟信号，MCU处理时钟信号后实现定时跳闸；中断服务程序包括手机信号内容的截取和处理。

3.1 程序设计

3.1.1 主程序设计

主程序流程图如图6所示，主要进行STC12C5052AD和GSM模块初始化。单片机的初始化包括串口、定时器、IO端口等；GSM模块初始化包括将短信息收发控制模式设置为Text模式，设置短消息服务中心为广东移动和设定为串口回显模式；等待30 s，GSM成功搜索网络后系统进入正常工作模式开始等待中断。另外，时钟芯片提供时钟信号，系统处于时间检测状态。若设定跳闸时间为下午5点，则空气开关自动跳闸，若设定允许合闸时间为早上7点，则在该时刻允许合闸，并把系统的在线状态以短信形式返回手机用户，避免因网络信号不好导致系统没执行动作而用户不知的情况。中断到来，执行中断子程序，否则一直检测时间。

图6 主程序流程图Fig.6 Flow chart of master program

图7 中断子程序流程图Fig.7 Flow chart of interrupt function

3.1.2 中断子程序设计

中断子程序的内容主要是接收特定号码手机的信息，并把信息的内容提取便于单片机处理，满足各种手机命令操作。中断子程序流程如图7所示，首先判断是否收到特定手机号码的信息，然后GSM模块回显短信内容到单片机，单片机截取该条短信的序号并发送读取命令，如读取内容为“open”，则单片机 P3.5 置 1；如读取内容为“setopentime：17：00”，则设定空气开关跳闸时间为17：00。

3.2 无线模块TC35I的软件分析

3.2.1 AT指令分析

短信息的解码和编码是软件编程的核心。AT命令集是调制解调器通信接口的工业标准，是调制解调可以识别并执行的命令[7]。通过串口通信，单片机可以向模块发送一系列AT指令控制该模块。发送的指令和接收的指令均为字符的ASCII码，在单片机编程中需注意字符串的转换。

程序开始时，需要发送指令将TC35I初始化，其中"AT+CNMI=1，1，2 "用于设置短消息到来时自动回显；"AT+CMGF=1 "，设置Text编码模式，在Text模式下，发送和接收信息都是文本格式；"AT+CSCA=+8613800200500 "设置短消息服务中心地址；发送完3条指令后GSM初始化完毕。

若有新的短消息到来，则GSM模块自动向串口发送“+CMTI：‘SM’＜Number＞”，其中 Number为短信的序号；此时单片机进入中断状态，构造AT指令“AT+CMGR=＜Number＞ ”并发送；此时 GSM 模块将回显短消息服务中心地址、数据内容以及消息发送的时间等，程序从回显信息中截取实际需要的内容，如短信上的网络时间和控制命令，从SIM卡中读出消息并处理后，考虑到SIM的短信容量为50条，发送“AT+CMGS=＜Number＞ ”将消息删除。

3.2.2 GSM通讯的特殊情况处理

GSM在断电情况下，模块可能接收移动客户端的非期望短信，此时SIM卡会积累多条信息，按照上述短信到来的状况，实时已经不能符合要求，在此程序设计中增加判断短信条数后执行循环指令“AT+CMGS=＜i＞ ”，变量 i从 0～20 依次取值，删除前20条短信。另外在正常工作的状态下突然断电，单片机会自动复位，这会导致设置的定时跳闸时间丢失。考虑到上电系统需保持上次设定时间，每次设置的时间都存入单片机自带的E2PROM中，在程序初始化中调用E2PROM，读取上次设定的时间，保证每次上电系统保持上一次设定时间。

4 结语

本文搭建了一套基于GSM网络的远程遥控空气开关系统，可不受时空限制，实现随时和定时跳闸，并可通过手机终端发射信号修改跳闸时间点，能够为用电管理提供便利。系统利用现有的GSM无线网络，信号能够覆盖半径最大35 km，克服传统无线开关控制距离短，控制用电器功率有限制等缺点，并且摆脱传统开关只有手动控制，增加定时跳闸功能。此外，本设计还可用于宿舍用电管理和智能家居远程管理等。

[1] 周密.空气断路器的发展方向与产品开发[J].电气时代，2006（1）：11-13.

[2] 张华东，秦建春，刘明.移动地线远程在线监测系统的设计与开发[J].自动化与仪表，2007，22（2）：45-48.

[3] 宏晶科技.STC12C5052AD系列单片机器件手册[Z]，2009．

[4] 董殿永，姜平.基于GSM短信息的无线微型打印机设计[J].自动化与仪表，2013，28（2）：33-36.

[5] 吕志刚，王鹏.基于STC89C58单片机淋浴节水控制器设计[J].自动化与仪表，2011，26（7）：57-60.

[6] 李永献，冯平，张保同.基于VG54123的正泰NL18型漏电断路器电路分析及调整[J].电工技术，2009（9）：84-85.

[7] 刘敏娜，潘宏侠，黄小娟.基于GPRS的风力发电机远程监控系统设计[J].自动化与仪表，2011，26（7）：29-33. ■