机房无线电源控制系统设计

叶宗海+庄坤森+陈恺

摘要：计算机机房是高校实验教学的重要场所，针对设备多、高耗能、设备不能单独控制及使用寿命减短等问题，结合自身多年的机房管理经验，提出了采用单片机与无线技术的电源控制系统。该系统由主机端和从机端两部分组成，实现了一至多台电脑电源的精准开关控制与管理，达到了方便管理、降低耗能与延长设备寿命等目的。

关键字：单片机；无线控制；电源开关；主机；从机

中图分类号：TP368.2 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0255-03

Abstract： Computer Lab is an important place for experimental teaching in Colleges and universities， for equipment， high energy consumption， equipment can not separate control and use of short service life of the problems， combined with years of management experience in the lab， the microcontroller and wireless power control system is presented. The system is composed of two parts， the host and the slave machine， which can achieve the precision control and management of the computer power supply， which can achieve the convenience of management， reduce the energy consumption and prolong the life of the equipment.

Key words： MCU； wireless control； power switch； host machine； slave machine

1 引言

作为计算机专业及其他各专业进行上机实验、课程设计、毕业设计及学生自学的场所，计算机机房起着特殊且重要的作用[1]。其主要特点是电脑设备多、高使用率和高耗能，这给管理员带来了巨大压力。如何提高管理效率、降低电能消耗和延长设备使用寿命就显得尤为重要。一般的机房电源控制采用有线控制方式，通过空气开关对电脑设备进行统一开关控制，部分电脑设备不使用也处于通电状态，存在待机消耗、布线繁琐且不能精确开关设备电源等问题。基于以上现状，提出了采用单片机技术的无线控制系统解决方案。

2 系统框架与功能要求

该系统由主机端和从机端两部分组成。主机端包括上位机（PC机）和一块主机板；从机端由一至N个从机板组成，主机端与从机端通信采用无线方式，其系统框图如图1所示。工作时，主机端在上位机或者板上键盘输入操作，主机无线收发模块将指令发送出去；从机端接收到后，分析判断并通过控制模块执行电源开关动作；查询PC机状态信息时，主机端发送查询指令，从机端接收后将相关状态信息反馈发送回主机端分析处理，并将结果进行显示。

系统功能要求：

（1）可控制1至N台PC机电源的开关，最多数量为255台；

（2）通过拔码开关，根据需要进行从机编号，范围1～255，编号不要求连续性；

（3）系统可以通过上位机进行联机操作，也可以主机端单独输入操作；

（4）可查询当前各从机连接的电源开关、PC机是否开机启动等状态，进行统计分析与显示；

（5）配合PC机BIOS参数设置、使用多媒体教学软件等方式，实现更多的机房管理功能，比如故障排除与维护等。

3 硬件设计

系统硬件上分为主机端和从机端两部分。主机端包含51单片机、液晶显示屏、矩阵键盘、NRF24L01无线模块和串行口等电路；从机端包含单片机、NRF24L01无线模块、拨码开关和继电器控制等电路。

3.1 单片机电路

单片机采用较常见的AT89S52，其采用先进的高密度和非易失性存储技术，对通用的单片机指令系统和引脚分布都兼容，这样更加完善了芯片的功能和丰富了它的灵活应用[2]。主从机均采用该型号单片机。

3.2 液晶显示屏

显示屏用于显示菜单、输入和操作信息提示、查询结果显示。使用LCD12864数字点阵式液晶显示模块，它包括128*64点的液晶面板、CMOS驱动。由于该模块有整体的图形点阵显示，因而用它显示图形和字符[3] 。该显示屏具有高对比度、能够显示汉字和字母等符号的特点，方便与51单片机连接与控制，满足该系统的硬件要求。

3.3 矩阵键盘

系统用到了4 X 4 矩阵键盘，总共16个按键。各个按键的功能分别是：数字键0～9、开机键、关机键、查询键、确定键、返回键和符号“-”键。

3.4 无线模块

主从机使用该无线模块进行通信，电路相类似。NRF24L01是一款工作在2.4 ～ 2.5GHz 世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，其接口电路如图2所示。

无线收发器包括：频率发生器、增强型 SchockBurstTM[4-5]模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议设置可以通过SPI接口设置。该模块最高工作速率2Mbps，126频道，满足多点通信和跳频通信需要。低功耗，待机模式下状态为22uA，内置2.4Ghz天线，体积小巧，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接与各种型号单片机连接使用，软件编程方便。

3.5 串行口电路

该电路实现上位机与主机端的联机工作，将上位机的操作指令传送至主机端、接收的数据传送至上位机显示。上位机与主机端采用RS-232串口连接，由于RS-232电平与单片机TTL电平不兼容，需要进行电平转换，使用比较常用的MAX232芯片进行电平转换。需要注意的是，MAX232与串口座连接时，无论是数据输出端，还是数据输入端，连接串口座的第2引脚或第3引脚都可以，选用不同的连接方法时，单片机与计算机之间的串口线都要谨慎选择[6]。

3.6 拨码开关电路

拨码开关（也叫DIP开关）是一个用来操作控制的地址开关，采用的是0/1的二进制编码原理，每一个键对应的背面上下各有两个引脚，拨至ON一侧，则下面两个引脚接通，反之则断开[7]。从机端的拨码开关，用于从机编号设置，方便进行控制。1个8位拨码开关有28种不同的编码组合，分别对应256台从机。本系统可以根据需要对从机进行手动编号，具备良好的扩展性和灵活性。

3.7 继电器控制电路

从机端通过该电路对电源进行开关控制。继电器是一种常用的弱电控制强电的“自动开关”。为增强系统抗干扰和稳定性，采用光电耦合器。光电耦合技术主要是为了解决模拟电路和数字电路的集成、交叉应用时的相互干扰问题，同时具有信号整形、降低误操作等功能[8]。

4 软件设计

软件设计也分为主机端与从机端两部分。由于软件代码较多，特别是NRF24L01无线模块通信部分较复杂，因此主要介绍关键部分的软件设计。

4.1 主机端主程序

程序主要实现各器件初始化、键盘扫描读入、设置无线收发模块工作方式、液晶显示、发送各种控制指令及接收从机状态信息等功能。主程序部分代码如下：

void main（）

{

………//变量初始化

NRF24L01Int（）； //无线模块初始化

uart_init（）； //串行口设置

show_12864_init（）； //液晶初始化

while（1）

{

Mode（）； //读入工作方式

if（flag==1） //联机工作

GetDate_Com（）； //通过上位机输入

else // flag=0 单机工作

KeyScan（）； //使用键盘输入

SentDate（）； //发送数据

NRFSetRXMode（）； //设置为接收模式

GetDate（）； //接收数据

}

}

程序执行时，使用Mode（）函数读入主机工作方式，根据flag标志位不同状态，来确定上位机采用联机工作还是单机工作方式。flag=1时为联机工作，指令来自上位机的操作输入；flag=0时为单机工作，指令通过4X4键盘输入。主机端发送指令完成后，将无线模块工作模式默认设置为接收状态，以提高系统可靠性。

4.2 从机端主程序

通过拨码开关对各从机进行编号，无线模块接收指令，判断是否开机、关机或查询等操作。从机将无线收发模块设置为接收模式后，对接收到的数据进行处理，分析判断该指令是否针对本机操作。若是，则进行相应操作，否则将数据丢弃，不做操作并继续处于接收数据状态。从机操作包括电源断开（关机）、接通（开机）和查询状态信息等。执行查询时，将电源开关等状态参数收集后进行封装，等待主机接收数据时通过无线模块发送出去。

4.3 上位机编程

上位机程序与界面，使用VB编程。主要调用了MSComm控件实现数据收发与处理、数据显示，另外还需要实现联机、键盘输入等功能。

5 系统测试

测试系统由一块主机板和两块从机板组成。测试环境是在长18米、宽10.5米，面积约189平方米的机房内进行。机房内还有电脑等设备约120台，部分处于开机通电状态，主机板与两块从机板在室内任意放置。在控制距离、功能、稳定性和抗干扰性等方面进行了测试，系统工作可靠、控制正常。变换从机端位置，进行重新测试，结果基本一致。测试结果如图3所示，主机端执行了全部开机功能后进行状态查询，主机端上显示有两台开机，两从机端对应的绿色LED灯亮代表电源接通状态。

6 结论

实现机房资源的合理利用、降低电能消耗和延长设备使用寿命，对高校来说是非常重要的。本课题结合单片机与无线技术对机房电源控制方面进行了初步探讨与实践，实现了采用无线方式控制电源开关与管理功能。同时该系统还具备低成本、容易安装调试及可扩展等特点。若系统再进行深度开发与改进，将在更多方面得到应用，对同类课题研究也具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]孙隽，杨延梅.高校计算机机房信息化管理的实践与分析[J].实验科学与技术.2013，2：170-170.

[2]孙小进.基于AT89S52单片机数据通信终端设计[J].电子设计工程，2013，22：20-22.

[3]史良.LCD12864显示模块与微处理器的接口设计[J].矿业安全与环保，1999，5：16-17.

[4]Jangwooh Jeon.Single chip 2.4 GHz Transceiver nRF24L01[R].Europe：Nordic Semiconductor ASA，2005：15-19.

[5]Hee Sank John，Hakchul Jang.2.4 GHz ISM band transceiver[J].Microwave Engineering Europe，2008.5（1）：2-5.

[6]郭天祥.51单片机C语言教程-入门、提高、开发、拓展全攻略[J].电子工业出版社，2013.130-130.

[7]刘洪明，庄展增，林宝伟.拨码开关错漏拨检测装置设计[J].日用电器，2015，08：80.

[8]谢子青.光电隔离抗干扰技术及应用[J].现代电子技术，2003，13：33-34.