基于STM32和GSM的遠程遙控定時開關(guān)裝置

摘要 針對市場上現(xiàn)有的定時開關(guān)裝置的弊端，設(shè)計了一種基于STM32處理器的定時開關(guān)裝置。該裝置利用GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程遙控功能，并通過nRF24L0l+無線通信模塊，遙控在一定范圍內(nèi)任意分布的多個開關(guān)。系統(tǒng)具有友好的人機交流界面，可設(shè)置多組定時時間，以及觸摸屏控制、掉電保護和紅外遙控等功能。
關(guān)鍵詞 STM32；TC35；遙控；多點分布；定時開關(guān)

    目前，國內(nèi)市場上出現(xiàn)了多種定時開關(guān)產(chǎn)品，并被廣泛應用于家居生活、汽車服務、公共照明和倉庫管理等領(lǐng)域。其中大部分產(chǎn)品都只有簡單的定時功能；無法實現(xiàn)遙控、顯示等高級功能。而少數(shù)可遙控的產(chǎn)品也只局限于較近距離的范圍內(nèi)，并未實現(xiàn)遠程控制，這些降低了它的便利性和實用性。隨著科技的進步，人們向往智能化、節(jié)約化的家居生活，各種網(wǎng)絡(luò)家電應運而生，但其高昂的價格卻讓普通大眾望而卻步，因此怎樣使傳統(tǒng)電器“智能化”是當前一個值得研究的問題。
    針對上述問題，設(shè)計了—種新型的智能開關(guān)裝置，在傳統(tǒng)定時開關(guān)的基礎(chǔ)上改進完善，并對GSM網(wǎng)絡(luò)在該領(lǐng)域的應用進行了研究，真正實現(xiàn)用戶在任何時間、地點，對用電器工作狀態(tài)的控制。不僅如此，設(shè)計還對傳統(tǒng)定時開關(guān)結(jié)構(gòu)進行了改進，使得一個主控制器可在一定范圍內(nèi)無線遙控任意分布的多個定時開關(guān)分機，幫助建立類似于網(wǎng)絡(luò)家電體系的小型民用遙控開關(guān)控制系統(tǒng)，可大幅降低使用成本。設(shè)計中還加入了觸摸屏顯示和紅外遙控等功能，使得產(chǎn)品更加人性化，具有操作方便、可靠性強、小型化、低功耗等特點，彌補了傳統(tǒng)產(chǎn)品的不足，同樣適合老年人、殘疾人使用。

1 系統(tǒng)概述
    系統(tǒng)利用GSM短信網(wǎng)絡(luò)，使用戶在信號覆蓋范圍內(nèi)的任何位置，都能隨意控制各種用電器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    用戶處在遠程位置時，可以使用手機或其他方式，通過現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)以短信息的形式向主控制器發(fā)送指令。當主控制器的處理器單元檢測到接收完成后，會立即從GSM模塊中讀取短信內(nèi)容，并分析判斷是否需要執(zhí)行。如需執(zhí)行，則處理器就會啟動無線傳輸模塊向指定的一個或多個控制分機發(fā)送相應的指令，并通過觸摸屏顯示相關(guān)參數(shù)；當控制分機的處理器單元讀取并識別指令后，會控制光耦對繼電器做出相應動作。
    當用戶在近距離范圍內(nèi)時，可以通過紅外遙控器或主控制器自帶的觸摸屏，向主控制器發(fā)送“定時開(關(guān))”等指令，主控制器的紅外接收器或處理器單元接收到指令后，經(jīng)過分析處理，根據(jù)指令內(nèi)容做出相應動作。

2 硬件電路設(shè)計
    系統(tǒng)分為主控制器和控制分機兩部分。主控制器系統(tǒng)以意法半導體公司的SWM32F103RBT6芯片為核心的處理器單元和西門子公司生產(chǎn)的TC35模塊為主，還包括了由AT24C02芯片組成的存儲電路、nRF24L01+無線傳輸模塊、紅外接收器HS0038B、以及一塊2．8寸(1寸=2．54 cm)TFT觸摸屏。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    控制分機系統(tǒng)如圖3所示，其處理器單元采用低成本的STC89C52芯片，并與無線傳輸模塊、紅外接收器、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LED指示燈等構(gòu)成控制分機系統(tǒng)。而控制分機的執(zhí)行模塊，則由光耦芯片PC817、繼電器驅(qū)動電路和插座共同組成。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和使用安全，控制分機的系統(tǒng)電源和繼電器驅(qū)動路的電源相互獨立，二者之間沒有聯(lián)系。

2．1 處理器單元
    主控制器的處理器單元選用意法半導體公司新STM32F103RBT6芯片，它是基于ARM公司推出的V7平臺的Cortex—M3內(nèi)核的32位處理器。該處理器芯片具有64個引腳、51個IO口、128 kB Flash、20 kBSRAM、3個串口、2個SPI接口、1個CAN總線和1個USB接口。芯片的數(shù)據(jù)處理能力為1．25 dMi／s·MHz，在72 MHz的工作頻率下，工作電流為36 mA，待機時下降到2 mA，是目前32位處理器市場上功耗最低的產(chǎn)品。其售價接近51系列單片機的市場售價，但它的數(shù)據(jù)處理能力卻幾乎媲美DSP，較高的性價比，使其具有較好的發(fā)展前景。
    STM32主控芯片內(nèi)部包含實時時鐘(RTC)。RTC是一個獨立的定時器，該模塊擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，再配合相應的軟件設(shè)置，就可似提供時鐘日歷的功能，并支持掉電保護，通過修改計數(shù)器的值來重新設(shè)置系統(tǒng)當前的日期和時間。設(shè)計中，定時開關(guān)的定時時鐘功能可以依靠RTC來完成，因此主控制器只需利用STM32F103RBT6自帶的RTC模塊就能夠滿足設(shè)計要求?？刂品謾C系統(tǒng)的處理器單元采用價格低廉的STC89 C52單片機，該芯片的資源足以滿足控制分機系統(tǒng)的設(shè)計要求。
2. 2 GSM模塊TC35
    作為系統(tǒng)設(shè)計中遠程控制部分的核心，GSM通訊模塊選用了性價比高，并且已經(jīng)擁有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證的西門子TC35系列模塊。T C35是西門子公司推出的GSM模塊，它支持雙頻和標準的AT指令集。TC35模塊通過配套的天線連接器和接口連接器，可分別與天線和SIM卡讀卡器連接，并通過串口與處理器芯片連接。

    TC35模塊電路如圖4所示，共有40個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出，這40個引腳可以劃分為5類，即電探、SIM卡、數(shù)據(jù)輸入／輸出、音頻接口和控制。TC35模塊的數(shù)據(jù)輸入／輸出接口是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU—T RS232接口標準，波特率在300 bit．s-1～115kbit·s-1范圍內(nèi)可選，利用AT命令切換操作模式，可以使它處于數(shù)據(jù)、語音、短消息或傳真模式。TC35模塊的短信功能支持TEXT和PDU兩種模式，設(shè)計使用TEXT模式來收發(fā)短信息。
2．3 nRF24L01+無線收發(fā)模塊
    系統(tǒng)設(shè)計中的另一個重要組成部分，就是用于主控制器和控制分機之間進行通信的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該部分選用nRF24L01+系列無線收發(fā)模塊。nRF24L01+是nRF24L01的加強型，兩者在引腳上完全兼容，它工作在2．4～2．5 GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并且融合了增強型ShockBurst技術(shù)，具有成本低、功耗小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點多等特點。在使用PCB制板天線時，nRF 24L01+的通信距離一般可達100 m，而使用配套的加長天線后，通信距離還有較大提升。
    根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)采用PCB制版天線的nRF24L01+模塊。在主控制器系統(tǒng)中，nRF24L01+模塊與STM32F103RBT6處理器使用SPI口通信協(xié)議；對于控制分機部分，則利用STC89C52單片機的普通IO口模擬SPI時序與nRF24L01+模塊完成通信。

3 軟件設(shè)計
3．1 主控制器部分
    主控制器的軟件部分是在MDK4．0環(huán)境下使用V3．5．0版本的庫函數(shù)完成編程的，軟件設(shè)計流程如圖5所示。系統(tǒng)加電后，初始訖相關(guān)外設(shè)，讀取AT24C02芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容執(zhí)行相關(guān)函數(shù)。由于STM32自帶的RTC模塊提供了鬧鐘中斷功能，利用這一功能可以實現(xiàn)預約定時開(關(guān))的功能。TC35與處理器通過串口完成通信，并在串口中斷服務函數(shù)中完成對短信內(nèi)容的識別工作，系統(tǒng)還利用外部中斷的方式接收紅外遙控發(fā)出的指令。

3．2 控制分機部分
    如圖6所示，控制分機分析判斷無線模塊接收到的指令信息，通過控制光耦實現(xiàn)間接控制繼電器的目的，開關(guān)裝置溫度過高時，系統(tǒng)自動切斷電源，以防止事故發(fā)生。

4 調(diào)試與測試結(jié)果
    系統(tǒng)采用模塊化與整體組合相結(jié)合的方法進行調(diào)試，經(jīng)過軟件仿真、組裝調(diào)試和系統(tǒng)測試，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的功能。測試時，用戶通過短信或手動方式向裝置傳達指令，裝置依照指令完成相應的功能，同時通過觸摸屏來顯示相關(guān)參數(shù)。經(jīng)測試，裝置在高噪音、多塵等惡劣環(huán)境下也可正常運行。

5 結(jié)束語
    此裝置實現(xiàn)了多組定時、電路保護、掉電數(shù)據(jù)保持等功能，同時加入了紅外遙控控制和觸摸屏顯示，與傳統(tǒng)的定時開關(guān)類產(chǎn)品相比，更穩(wěn)定、智能，且易于操作，彌補了傳統(tǒng)產(chǎn)品的不足。