本文針對市場上現(xiàn)有的定時開關裝置的弊端，設計了一種基于STM32處理器的定時開關裝置。該裝置利用GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程遙控功能，并通過nRF24L0l+無線通信模塊，遙控在一定范圍內任意分布的多個開關。系統(tǒng)具有友好的人機交流界面，可設置多組定時時間，以及觸摸屏控制、掉電保護和紅外遙控等功能。
目前，國內市場上出現(xiàn)了多種定時開關產(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，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，設計了—種新型的智能開關裝置，在傳統(tǒng)定時開關的基礎上改進完善，并對GSM網(wǎng)絡在該領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，設計還對傳統(tǒng)定時開關結構進行了改進，使得一個主控制器可在一定范圍內無線遙控任意分布的多個定時開關分機，幫助建立類似于網(wǎng)絡家電體系的小型民用遙控開關控制系統(tǒng)，可大幅降低使用成本。設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，使用戶在信號覆蓋范圍內的任何位置，都能隨意控制各種用電器的工作狀態(tài)，系統(tǒng)整體結構如圖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)”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)指令內容做出相應動作。
2 硬件電路設計
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。其硬件結構如圖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)器的值來重新設置系統(tǒng)當前的日期和時間。設計中，定時開關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)的設計要求。
2. 2 GSM模塊TC35
作為系統(tǒng)設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)擁有國內的無線電設備入網(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，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并且融合了增強型ShockBurst技術，具有成本低、功耗小、網(wǎng)絡結點多等特點。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，軟件設計流程如圖5所示。系統(tǒng)加電后，初始訖相關外設，讀取AT24C02芯片內的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)內容執(zhí)行相關函數(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)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 調試與測試結果
系統(tǒng)采用模塊化與整體組合相結合的方法進行調試，經(jīng)過軟件仿真、組裝調試和系統(tǒng)測試，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)設計的功能。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。
下載文檔
