基于物联网的高校照明控制系统的设计

2015-09-10孟繁荣

考试周刊 2015年6期

孟繁荣

摘要：随着物联网技术的发展，无线远程的控制方式将成为未来智能家居发展的趋势和潮流。本文面向高校物业管理和节能监管的需求，设计了一款基于STC12C5A60S2，89C52等嵌入式设备和GSM、nRF24L01通信模块组成的无线照明控制系统，用户以手机短信方式发送照明控制指令实现照明器具的远程控制。本系统还可以对行查询、设置及控制相应灯组的通断，无线照明系统能应用于如学校、工厂、写字楼、会议室等区域，具有良好的实用前景和应用价值。

关键词：照明管理 GSM模块照明系统 STC12C5A60S2

引言

随着科技的进步，无线传输信号将取代有线传输信号机，从而应用于越来越多的领域。在大型公共建筑中，照明作为重点监测对象，照明系统的有效管理成为物业和节能管理的突破口。本系统基于高校物业管理和节能管理的需求，设计出由无线传输的照明控制取代传统的有线照明开关，实现智能照明系统的普及化与便利化，从而改善人们的生活环境。

1.系统设计方案

本文实现的无线照明控制系统的短信控制。本系統分为主控节点和从机节点两个部分，二者之间通无线通信GSM模块传递信息，主机控制从机开关相应LED灯组，并发送短信回复用户。实现以下功能：

（1）良好的人机交互设计；（2）用LED点阵模拟灯摘要：随着物联网技术的发展，无线远程的控制方式将成为未来智能家居发展的趋势和潮流。本文面向高校物业管理和节能监管的需求，设计了一款基于STC12C5A60S2，89C52等嵌入式设备和GSM、nRF24L01通信模块组成的无线照明控制系统，用户以手机短信方式发送照明控制指令实现照明器具的远程控制。本系统还可以对行查询、设置及控制相应灯组的通断，无线照明系统能应用于如学校、工厂、写字楼、会议室等区域，具有良好的实用前景和应用价值。

关键词：照明管理 GSM模块照明系统 STC12C5A60S2的短信控制：（3）系统查询：用户通过发送短信可查询灯的状态。（4）系统设置：用户可通过发送验证码+命令+新验证码即可修改密码。

2.硬件设计

2.1主控节点

主控节点在MCU最小系统的基础上包含GSM通信模块、24L01无线收发模块，220/5V和5V/3.3V供电模块，1602液晶显示屏和LED灯的显示模块。四个模块通过33个I/O口与MCU相连，控制照明系统进行控制、查询、设置等操作。

2.2MCU资源分配

主控节点的MCU采用STC12C5A60S2高性能、低功耗单片机，其丰富的片上资源能够很好地满足系统各项功能的需求。本系统在设计中使用到的微处理器资源如下：（1）I/O口资源：本系统中合理分配使用了33个I/O口，P1的七个I/O口用于连接nRF24L01无线收发模块；P3.0和P3.1为UART2的TX和RX引脚，将其用于主控节点MCU与GSM模块的通信串口；而UART1用于系统的调试：P0口用于连接1602液晶显示屏。（2）16位定时器：用作时基信号。（3）看门狗：安全性控制。（4）2组UART串行通信接口：UART1用于24L01的连接与调试，UATR2用来控制GSM模块与MCU的通信。（5）外部中断：当从机节点的24L01接收到主控节点发送来的控制信号后，MCU使用外部中断对信号进行处理。

2.3通信模块

通信模块包含GSM通信模块的接口设计和nRF24L01无线收发模块的接口设计。

（1）GSM模块与主控节点的MCU通过UART2的TX和RX引脚（P3.0、P3.1）相连，将GSM通信模块收到的信息发送给主控节点MCU进行处理，并可以通过主控节点MCU控制GSM通信模块发送短信息回馈给用户手机。

（2）nRF24L01无线收发模块与主控节点MCU通过P1.0、P1.1、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口连接，采用3.3V电源供电。nRF24L01无线模块发送控制信息给从机节点，从机节点的MCU对收到的信号进行分析，并控制LED灯组的开关。

2.4电源模块

电源模块包括220/5V，5V/3.3V电路的设计：标准室内电源提供220V供电电压，而本系统主控节点MCU最小系统、从机节点MCU最小系统、1602显示屏等模块需要5V电源供电，nRF24L01无线收发模块需要3.3V电源供电，所以需要将220V室内供电电压进行降压转换。

首先，采用220V转5V的电源适配器对电压进行转换，其次，考虑到nRF24L01无线收发模块的供电需求，设计了5V转3.3V的转电压电路。

2.5从机节点

从机节点对主机传来的信号进行分析和控制，包括USB供电电路，8*8LED矩阵，24L01无线模块。系统的从机MCU接收到主机MCU的控制命令，从而控制LED灯组的开关。

3.软件设计

3.1功能概述

照明系统的主控节点的功能为：（1）查询检测GSM模块是否接收到用户手机发送的短信息，若接收到，则对短信息进行读取，分析用户短信的内容为查询、控制或修改密码命令。若为查询命令，则主机进行查询，将查询结果返回给GSM模块，GSM模块发送给用户手机。若为控制命令，则发送给从机节点。若为修改密码命令，则修改密码。（2）通过nRF24L01发送模块给从机节点发送命令。（3）控制1602显示屏进行友好交互的显示

3.2通信程序

通信程序是本系统软件设计中的重要组成部分，GSM模块的通信程序分为如下几个部分：

（1）GSM通信模式的设置：系统首先将发送短信的模式设置为Text模式，并对接收短信的PDU模式进行设置。

（2）发送短信息的程序：主控节点MCU向GSM模块发送AT联机指令若连接正常，1602显示“检测到GSM模块”，继续下一步，发送短信息。先执行信息发送指令，发送接收方号码，再发送短信息内容text及结束符，延迟足够长的时间，待信息发出后，在接受到的返回字符串中查找“OK”，找到则表示信息发送成功，1602显示“begin”；若没找到则表示短信息发送失败，自动重新发送，1602显示“wait”，“begin”。

（3）短信息的接收、分析程序：首先，MCU对串口2的接收缓存区进行查询，发现0x0a即换行符即表示收到短信息，将标志位start置为1，再将串口2收到的字符串中的11位手机号码存入数组ask中。其次，将短信内容统一转换为PDU模式接收到的字符串后，分别将前4位，5、6位存入密码、命令数组，若还有其他位，则存入设置值数组，若检测到“#”，则读入结束。

分析短信时，首先将密码字符串Usercmd.pwd中的4位字符与系统设定的密码值进行比对，若内容一致则继续执行，不一致则停止分析并提示密码错误。其次，对命令字符串中的字符与命令设定值进行比较，一致则执行相应的命令，均不一致，则回复“error”。最后，若有设置值字符串Usercmd.value，则依据相应命令对RAM中的设定值进行读写。

4.结语

本文针对校园照明监控和管理的需求，设计一个独立的校园无线照明控制系统，使用STC12系列单片机、GSM模块、24L01无线收发模块及KeilC编程。本设计完成了硬件电路的设计、软件程序的编写，测试了系统的稳定性和低错误率。

在日后系统的改进过程中需要在故障自检系统中添加，这个系统可以将故障的灯的编码自动发送到用户手机上。本系统可以和智能家居结合起来，将空调、电视、冰箱、电饭锅等设备用短信控制從而实现智能家居，具有一定的应用前景和使用价值。

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