利用W5500实现继电器远程控制

摘 要：文中提出了采用单片机STC15F2K60S2和以太网控制芯片W5500的继电器远程控制方案，并给出了各模块的详细电路图以及单片机主程序流程图。该方案工作可靠、网络安全性高、性价比高，在智能楼宇、智能家居等领域有着良好的应用前景。

关键词：远程控制；W5500；单片机；继电器

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-04

0 引 言

继电器远程控制的实现不仅方便了操作并且提高了效率。只要有网络的地方就可以对继电器进行控制，再由继电器控制其他设备，从而实现设备的远程控制。通过使用以太网控制芯片W5500，利用TCP协议，便可实现继电器的远程控制。

1 系统总体结构

系统总体结构如图1所示。计算机作为客户端，W5500作为服务器，利用TCP协议实现客户端到服务器的连接。计算机端使用广州致远电子有限公司开发的免费软件“TCP&UDP测试工具”发送继电器控制命令；控制命令经网络传送到W5500；单片机通过读取W5500的接收数据存储器接收控制命令，并根据命令对继电器进行开关控制。系统所需的主要工作包括W5500网络控制模块电路的设计、单片机及继电器控制模块电路的设计和单片机控制程序的设计。

图1 系统总体结构

2 硬件设计

2.1 W5500网络控制模块

系统以W5500芯片为核心组成网络控制模块，采用TCP协议与计算机端进行通信，接收计算机端发送来的继电器控制命令。

2.1.1 W5500简介

由于OSI（Open System Interconnection，开放式系统互联）七层协议的网络体系结构模型与TCP/IP四层协议的网络体系结构模型都有各自的优缺点，因此在分析、研究计算机网络时往往采用Andrew S.Tanenbaum教授建议的综合以上两种模型优点的五层协议的网络体系结构模型，它包括物理层、数据链路层、网络层、传输层以及应用层。

W5500是韩国WIZnet公司于2013年推出的一款以太网控制芯片，它整合了五层计算机网络体系结构中的前四层，即物理层、数据链路层、网络层和传输层，并在内部利用硬件实现了TCP/IP协议栈。全硬件TCP/IP协议栈完全独立于主控芯片，可降低主芯片负载且无需移植繁琐的TCP/IP协议栈；可有效应对网络攻击和病毒，安全性高[1]。W5500为用户提供了一个简易的互联网连接方案。W5500功能框图如图2所示。

图2 W5500的功能框图

W5500集成了硬件TCP/IP协议，包括TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP以及PPPoE协议和以太网的PHY和MAC层。W5500内嵌32 K字节收发缓存以供以太网包处理。用户使用W5500，只需要一些简单的Socket编程就能实现以太网应用。这将会比采用软件实现TCP/IP协议栈的传统以太网方案更加快捷、简便。用户可以同时使用8个硬件Socket独立通讯。W5500提供了串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI），从而能够更加容易地与外设MCU整合。而且W5500使用了新的高效SPI协议支持80 MHz速率，从而能够更好地实现高速网络通讯。为了减少系统能耗，W5500提供了网络唤醒模式（Wake on LAN，WoL）及掉电模式供用户选择使用[2]。

2.1.2 W5500网络控制模块电路设计

W5500网络控制模块电路如图3所示。其中，P1为带网络变压器的RJ45插座，通过网线与网络连接；P2插针用于模块供电以及和单片机连接。W5500正常工作时，需提供3.3 V数字电源，VDD（28脚）对GND（29脚）；3.3 V模拟电源，AVDD（4/8/11/15/17/21脚）对AGND（3/9/14/16/19/48脚）。为方便与外部不同工作电压的单片机控制系统配合工作，本模块可通过P2插针输入+5 V或3.3 V电压供电。当外部输入电压为+5 V时，+5 V电源经低压差电压调节器U1 LM1117-3.3转换为+3.3 V电压输出，对整个模块供电，并可通过P2插针的+3 V 3D引脚给其它模块提供3.3 V电源。

W5500的XI（30脚）、XO（31脚）为时钟引脚，共外接25 MHz石英晶体振荡电路；RSTn（37脚）为复位引脚，低电平有效，和单片机I/O引脚连接，由单片机控制W5500进行复位；PMODE2（43脚）、PMODE1（44脚）、PMOD0（45脚）为网络工作模式选择引脚，设置为“所有功能，启动自动协商”；EXRES1（10脚）为外部参考电阻引脚，外接一个精度为1%的12.4 kΩ外部参考电阻，为内部模拟电路提供偏压；TOCAP（20脚）为外部参考电容引脚，外接一个4.7 μF电容，而且到该电容的走线要尽量短一些，以保证内部信号的稳定；1V2O为内部稳压器1.2 V电压输出引脚，外接一个10 nF电容；TXN（1脚）、TXP（2脚）为差分信号发送引脚；RXN（5脚）、RXP（6脚）为差分信号接收引脚；SCSn（32脚）为W5500的SPI接口片选引脚，低电平有效；SCLK（33脚）为SPI时钟输入引脚；MISO（34脚）为SPI主机输入从机（W5500）输出引脚；MOSI（35脚）为SPI主机输出从机（W5500）输入引脚；INTn（36脚）为W5500中断输出引脚，低电平有效。

2.2 单片机及继电器控制模块

W5500利用硬件实现了TCP/IP协议栈，大大降低了主控芯片负载，使得应用广泛的8位单片机也能顺利完成以太网接入。本方案采用我国宏晶科技公司最新推出的内置高速SPI接口的增强型8051单片机STC15F2K60S2作为主控芯片。

2.2.1 STC15F2K60S2简介

STC15F2K60S2 单片机采用1T（1时钟周期/机器周期）增强型8051内核，速度比传统8051单片机快7～12倍，也比STC早期的1T系列单片机（如STC12/11/10系列）快20%；内置大容量2 KB的RAM数据存储器，1 KB的Flash数据存储器，60 KB的Flash程序存储器；具有3个16位可自动重装的定时/计数器（T0/T1/T2），1个高速SPI，8通道10位ADC等资源。并且，它内部集成高精度R/C时钟（±0.3%），频率从5 MHz～35 MHz可选（相当于传统8051：60 MHz～420 MHz），可彻底省掉外部昂贵的晶振；内部集成高可靠复位电路，ISP编程时8级复位门槛电压可选，可彻底省掉外部复位电路；具有在系统编程（In System Programming，ISP）功能，无需专用编程器[3]。

2.2.2 单片机及继电器控制模块电路设计

单片机及继电器控制模块电路如图4所示。STC15F2K60S2单片机控制电路省略了传统8051单片机最小应用系统中所必需的外部晶振、外部复位电路，提供+5 V电源单片机即可工作，外围电路非常简洁。在电源+5 V和GND之间就近加上电源去耦电容C21（10μF）、C22（0.1μF），可去除电源线噪声，提高抗干扰能力。P3为单片机ISP接口，便于采用USB转TTL电平的串口下载线进行系统软件的升级；P4为单片机SPI接口，用于和W5500芯片通信。

系统中设计了两路继电器控制电路，可用于控制外部开关量。继电器的驱动电路由三极管Q1、Q2组成，Q1、Q2起功率放大作用。继电器K1、K2分别由单片机的P2.7、P2.6引脚控制。继电器K1、K2的常开、常闭触点分别经接线端子P5、P6引出。

3 软件设计

通过W5500利用TCP协议实现继电器远程控制的单片机程序采用C语言编写，主程序流程图如图5所示。

在主程序中，首先进行单片机的SPI接口和W5500模块的初始化，然后检查W5500是否接收到数据。若接收到数据，则单片机读取W5500的数据接收存储器，并根据读取到的命令对继电器进行控制。在计算机端发送命令“open+RLY_K1”或者“open+RLY_K2”打开继电器K1和K2，发送命令“close+RLY_K1”或者“close+RLY_K2”则关闭继电器K1和K2。各程序模块主要工作包括以下几项内容。

3.1 SPI接口初始化

STC15F2K60S2单片机通过SPI接口与W5500进行通信，对W5500所有的操作都需要通过SPI接口进行数据传输。在对W5500进行数据传输之前，要先对STC15F2K60S2的SPI接口的相关寄存器进行设置，即SPI接口的初始化。STC15F2K60S2单片机SPI接口的初始化包括以下几点：

通过SPI控制寄存器SPCTL设置：忽略引脚，SPI使能，数据字的最低位（LSB）最先传送，设置为主机，SPI空闲时SCK=1，数据在SCK的前时钟沿驱动到SPI口线，SPI模块在后时钟沿采样。

清0寄存器SPSTAT中的标志位SPIF和WCOL（向这两个标志位写1即可清0）。

开放SPI中断（IE2中的ESPI=1，IE2寄存器不能位寻址，可使用“或”指令进行设置）。

开放总中断（IE中的EA=1）。

3.2 W5500初始化

在使用W5500之前，首先应对其进行初始化，正确设置以下寄存器：模式寄存器（MR）、中断屏蔽寄存器（IMR）、重发时间寄存器（RTR）、重发次数寄存器（RCR）、本机硬件地址寄存器（SHAR）、网关地址寄存器（GAR）、子网掩码寄存器（SUBR）、本机IP地址寄存器（SIPR）以及设置Socket存储器信息。初始化过程结束后，W5500可以以TCP、UDP、IPRAW和MACRAW的模式打开Socket，以进行数据的发送和接收。

3.3 接收数据

接收数据时，需要检查寄存器Sn_RX_RSR，检查数据是否已经被接收到：如果Sn_RX_RSR的值大于0，则说明接收到的数据在接收存储器（RX buffer）中，然后通过读取RX读指针寄存器（Sn_RX_RD0）获取数据地址，然后将数据从W5500接收存储器中读出，并存放到单片机端的接收缓冲区RX_BUF数组中。

图5 单片机主程序流程图

3.4 读取命令，控制继电器

通过查找RX_BUF数组中是否包含有“open+RLY_K1”、“open+RLY_K2”、“close+RLY_K1”或者“close+RLY_K2”命令，并根据读取到的命令，通过控制单片机P2.7、P2.6引脚电平的高低对继电器K1、K2进行开关控制。

3.5 清空接收缓冲区

清空单片机端的接收缓冲区RX_BUF数组，为接收下一个控制命令做好准备。

4 实验结果

在计算机端打开 “TCP&UDP测试工具”，点击“创建连接”，选择类型为“TCP”，目标IP为W5500的本机IP地址，端口为W5500的Socket0的端口号，本机端口设置为“随机选择端口”，完成客户端的创建；连接好网线，给单片机控制模块、W5500网络控制模块上电，点击“TCP&UDP测试工具”上的“连接”，客户端（计算机端）与服务端（W5500模块）连接成功；通过“TCP&UDP测试工具”分别发送“open+RLY_K1”、“open+RLY_K2”、“close+RLY_K1”、“close+RLY_K2”等命令，能正确控制对应的继电器接通断。

5 结 语

本文提出了基于STC15F2K60S2+W5500的继电器远程控制方案，并给出了各电路模块详细的电路图和单片机主程序流程图。通过网络，对继电器进行远程控制，再由继电器控制其他设备，便可实现设备的远程控制。在需要远程控制的设备数量较多的应用场合中，还可以根据以上设计方案增加继电器的路数来实现。该方案工作可靠、网络安全性高、性价比高，在智能楼宇、智能家居等领域有着良好的应用前景。

参考文献

[1] 陈桂友，陈海峰，贺红.物联网智能网关设计与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：222-224.

[2] WIZnet.W5500 Datasheet Version 1.0.6[EB/OL].（2014-12-30）[2015-12-18]. http：//wizwiki.net/wiki/lib/exe/fetch.php？media=products：w5500：w5500_ds_v106e_141230.pdf

[3] 吴永德，罗萍.基于STC15F2K60S2单片机的LED光立方设计[J].电脑编程技巧与维护，2015（11）：81-84.