基于GSM短消息控制的智能照明節(jié)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全國(guó)的照明用電也日益增大，但照明用電以低效照明為主，極大地浪費(fèi)了電資源，因此給現(xiàn)有照明系統(tǒng)加配節(jié)電控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。為滿足照明設(shè)備節(jié)電需求設(shè)計(jì)了基于GSM短消息控制的智能照明節(jié)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能是利用微處理器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)并處理分析，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將電網(wǎng)參數(shù)以短消息上報(bào)監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心調(diào)控施加在照明設(shè)備上的電壓，實(shí)現(xiàn)降壓節(jié)能的目的。重點(diǎn)論述了智能照明節(jié)電系統(tǒng)如何借助GSM模塊，將電網(wǎng)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等編輯成短消息，利用串口通訊實(shí)現(xiàn)與微處理器之間的短消息收發(fā)，解析收到的內(nèi)容并進(jìn)行相應(yīng)操作，達(dá)到控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的目的。
關(guān)鍵詞：GSM；短消息；智能照明；節(jié)電系統(tǒng)

l 引 言
    目前我國(guó)城鎮(zhèn)、高速公路的照明工程不斷增加，照明電能消費(fèi)急劇上升，雖然我國(guó)燈具采用了新型光源，發(fā)光效率較高，但是現(xiàn)有的照明系統(tǒng)比較陳舊，總的能源使用效率依舊比較低，因此設(shè)計(jì)智能照明節(jié)電控制裝置是當(dāng)務(wù)之急。本文設(shè)汁的照明節(jié)電控制裝置采用微處理器控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集輸入電壓信號(hào)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)．從而保證輸出較理想的照明系統(tǒng)工作電壓。該節(jié)電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護(hù)電光源、降低電能消耗的功能。
    照明節(jié)電控制裝置中控制系統(tǒng)和監(jiān)控中心的通信由GSM模塊利用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。GSM網(wǎng)絡(luò)具有盲區(qū)少、信號(hào)好、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)漫游的特點(diǎn)，特別是GSM的短信息服務(wù)，靈活方便，可以自動(dòng)漫游傳送，而且發(fā)送按條計(jì)費(fèi)，低廉可靠。

2 智能照明節(jié)電系統(tǒng)工作原理
    城市的路燈大多采用氣體放電燈具，而氣體放電燈的物理特性就是啟動(dòng)時(shí)的正常工作電壓加上啟動(dòng)器產(chǎn)生高壓而使氣體放電點(diǎn)亮燈具，燈具點(diǎn)亮之后適當(dāng)降低并穩(wěn)定供電電壓，但不影響燈具的照明。
    本文設(shè)計(jì)的節(jié)電控制器便是利用降壓節(jié)電原理，在照明設(shè)備加電啟動(dòng)階段，以電網(wǎng)電壓直接輸出，等燈具運(yùn)行穩(wěn)定后將電網(wǎng)電壓依次降到200 V，190 V低電壓輸出。
    節(jié)電控制器的工作過(guò)程：節(jié)電器開始工作后，首先以電網(wǎng)電壓在預(yù)設(shè)的啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行；啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間過(guò)后，節(jié)電器的輸出電壓下降至200 V，并保持這一電壓穩(wěn)定運(yùn)行；再經(jīng)過(guò)一段固定時(shí)間后，節(jié)電器的輸出電壓下降至190 V，并一直保持這一電壓穩(wěn)定運(yùn)行。節(jié)電器的這三種工作狀態(tài)被稱為直通、節(jié)電一和節(jié)電二。當(dāng)節(jié)電器工作狀態(tài)設(shè)置改變或節(jié)電控制信號(hào)斷開，輸出電壓將改變?yōu)樾碌墓?jié)電水平或恢復(fù)為電網(wǎng)電壓直接輸出。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    照明節(jié)電裝置是實(shí)現(xiàn)照明用電自動(dòng)控制的重要終端設(shè)備，通常安裝在照明用電進(jìn)線端，經(jīng)過(guò)節(jié)電系統(tǒng)將電壓施加在照明設(shè)備上。本文的智能節(jié)電裝置的設(shè)計(jì)要求就是：能夠適應(yīng)電網(wǎng)供電電壓各個(gè)時(shí)間段差異比較大的現(xiàn)狀，可以分時(shí)段控制輸出電壓；節(jié)電系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，如果出現(xiàn)意外情況，能夠直接從電網(wǎng)輸出電壓。
    智能照明節(jié)電系統(tǒng)的硬件總體由處理器、數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換電路、GSM模塊、溫度測(cè)量裝置和降壓執(zhí)行裝置等組成。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想就是由89C52單片機(jī)作為處理器，完成檢測(cè)照明回路的電壓、電流值以及現(xiàn)場(chǎng)顯示，通過(guò)GSM模塊將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)監(jiān)控中心，并根據(jù)程序預(yù)先設(shè)定、或者鍵盤輸入或者監(jiān)控中心設(shè)定對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，控制執(zhí)行電路對(duì)電網(wǎng)的輸出電壓實(shí)時(shí)調(diào)控。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖1所示。

    整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)問(wèn)題：
    市電照明網(wǎng)絡(luò)電壓、電流的采集與轉(zhuǎn)換電路 智能照節(jié)電系統(tǒng)要根據(jù)電網(wǎng)的電壓和電流的變化做出相應(yīng)的斷和處理，所以電壓和電流的采集必不可少。電壓采樣通過(guò)變壓器采集電網(wǎng)電壓，電流采樣選用電流互感器作為電流檢測(cè)元件。采樣到的電壓、電流經(jīng)整流、轉(zhuǎn)換、濾波后輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809作為他的兩路輸入信號(hào)，ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)線EOC接至單片機(jī)的INTl，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中讀出電壓、電流采樣值。
    GSM模塊的選擇 該系統(tǒng)的GSM模塊選擇西門子公司生產(chǎn)的MC35i模塊，他是專為GSM／GPRS通信設(shè)計(jì)的專用雙模塊，工作于EGSM900和GSMl800頻段，在3．5～4．8 V范圍均能正常工作，AT指令直接控制。單片機(jī)與GSM模塊通信通過(guò)串口發(fā)送AT命令完成。MC35i模塊與單片機(jī)的接口電路如圖2所示。

    注意單片機(jī)與MC35i串口不能直接相連，因?yàn)?9C52管腳為5 V標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，而MC35i電平較低，為3 V左右。為解決電平接口不一致的問(wèn)題，同時(shí)避免板間干擾、提高系統(tǒng)通信的靈活性和可擴(kuò)展性，節(jié)電系統(tǒng)中在單片機(jī)和GSM模塊之間加了一個(gè)MAX232電平轉(zhuǎn)換電路。
    下面重點(diǎn)論述控制系統(tǒng)中微處理器與GSM之間如何實(shí)現(xiàn)短消息收發(fā)。

4 短消息分析與實(shí)現(xiàn)
    為實(shí)現(xiàn)軟件控制短信息的編輯和收發(fā)，我們有必要先分析一下短消息的格式，然后再確定如何通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)。
4．1 短消息分析
    短消息的發(fā)送和接收控制共有三種模式：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。其中只存PDU模式可以用于中英文短消息傳送，但因?yàn)橛芯幋a、解碼過(guò)程，所以較Text模式復(fù)雜。由于PDU模式有很好的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)格式，并對(duì)中文有很好的支持．PDU模式在GSM移動(dòng)設(shè)備中使用最為普遍，現(xiàn)在各大網(wǎng)絡(luò)公司都采用PDU模式來(lái)進(jìn)行短消息的處理。
    根據(jù)GSM07．05的定義，只要終端通過(guò)UART接口向GSM模塊發(fā)送AT命令，就可以直接讀取收到的PDU模式的短消息。PDU模式的數(shù)據(jù)表面上看是一串ASCII碼，由‘O’～‘9’，‘A’～‘F’這些數(shù)字和字母組成，他們是8位字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)。PDU數(shù)據(jù)不僅包含可顯示的消息本身，還以固定格式包含很多其他消息，如SMS服務(wù)中心號(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼、回復(fù)號(hào)碼、編碼方式和服務(wù)時(shí)間等。
    目前國(guó)內(nèi)漢字顯示采用GB一2313編碼，而GSM標(biāo)準(zhǔn)中中文編碼采用UTF一8編碼，因此處理短消息時(shí)需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換，才能與采用GB一2313漢字庫(kù)相配合顯示漢字字型。
    由于UTF一8編碼和GB一2313漢字庫(kù)之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因此嵌入式系統(tǒng)中只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面給出一個(gè)由UTF一8編碼到GB一2313編碼轉(zhuǎn)換的算法。
    首先在存儲(chǔ)區(qū)建立UTF一8和GB一2313兩個(gè)編碼表，然后進(jìn)行軟件解碼。每次從PDU模式的短消息數(shù)據(jù)串的用戶數(shù)據(jù)段取出兩個(gè)字節(jié)，采用二分法快速數(shù)據(jù)查找算法，在UTF一8編碼表中找到編碼所對(duì)應(yīng)的位置，然后在GB一2313編碼表對(duì)應(yīng)位置上讀出短信內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的GB一2313編碼。相應(yīng)的軟件流程如圖3所示。二分法的最壞查找次數(shù)為lg2(n+1)，UTF一8表的長(zhǎng)度n為7 445，所以最壞情況查找次數(shù)為13次，即一個(gè)中文編碼由UTF一8到GB一2313的轉(zhuǎn)換最多經(jīng)過(guò)13次比較查找就可完成。這比采用簡(jiǎn)單的順序查表快地多，大大減少了查表所花費(fèi)的時(shí)間，非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。

4．2 使用AT命令實(shí)現(xiàn)短消息收發(fā)
4．2．1 AT命令
    AT命令是賀氏公司推出的一套Modem操作命令集，是Modem通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，他的功能包括配置Modem與軟件共同工作、與遠(yuǎn)程系統(tǒng)通信、發(fā)起或應(yīng)答一個(gè)呼叫等。AT命令以AT開頭，回車鍵結(jié)尾，前綴AT用于通知Modem注意檢測(cè)計(jì)算機(jī)串口發(fā)送信號(hào)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上提供的可二次開發(fā)的GSM模塊都支持GSM07．05所定義的AT命令集的指令。通過(guò)UART串行接口直接向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)GSM短信息的收發(fā)、查詢和管理。
4．2．2 使用AT命令發(fā)送短消息
    對(duì)GSM模塊的操作均采用AT指令，指令內(nèi)容均為ASCII碼。例如要發(fā)送字符“Hello!”到手機(jī)13579830162中，可采用PDU模式發(fā)送。
    發(fā)送AT+CMGF=0：選擇短消息格式為PDU模式；
    發(fā)送AT+CSMS=O：檢測(cè)模塊是否支持SMS命令；
    發(fā)送AT+CMGS=20：發(fā)送信息有20個(gè)字節(jié)，不含短信中心信息長(zhǎng)度；
    發(fā)送08 91 683108200905F0 11 00 OD 9l683135121053F7 OO 00 01 06 C8329BFDOE01
    其內(nèi)容含義是：SMSC信息長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，為國(guó)際格式，號(hào)碼8613800290500；被叫號(hào)碼長(zhǎng)13位，國(guó)際格式，是8613532101357；普通GSM類型，點(diǎn)到點(diǎn)方式；7位編碼；信息保留10分鐘；信息長(zhǎng)度為6個(gè)字符；信息為“Hello!”。
4．2．3 使用AT命令接收短消息
    由于短消息在傳輸過(guò)程中有時(shí)延，所以短消息的到達(dá)時(shí)間是不確定的。因此必須設(shè)定短消息到達(dá)提示命令，并定時(shí)檢測(cè)，這些可以通過(guò)AT命令在GSM模塊啟動(dòng)后設(shè)置。
    設(shè)定短消息到達(dá)后自動(dòng)提示的AT命令為AT+CNMI=3，1，O，O，O。當(dāng)短消息到達(dá)時(shí)會(huì)收到+CMTI：“SM”，index的提示消息，其中+CMTI為提示信息的幀頭，“SM”，表示短消息的存儲(chǔ)序號(hào)，可以根據(jù)序號(hào)到給定的存儲(chǔ)區(qū)將短消息讀出來(lái)。

5 短消息收發(fā)的通信軟件設(shè)計(jì)
    節(jié)電系統(tǒng)中單片機(jī)通過(guò)串口和GSM模塊連接，通信軟件主要是完成單片機(jī)和GSM模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。串口連接采用定時(shí)器T1產(chǎn)生9 600波特率，定時(shí)器工作方式選擇為自動(dòng)重載方式，通信字節(jié)格式設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。
    本系統(tǒng)中，除了狀態(tài)改變主動(dòng)發(fā)送短消息之外，都是由控制方發(fā)出請(qǐng)求開始，系統(tǒng)根據(jù)收到的不同信息內(nèi)容分別調(diào)用相應(yīng)的命令服務(wù)程序，對(duì)命令做出響應(yīng)。在節(jié)電系統(tǒng)主程序啟動(dòng)時(shí)，調(diào)用一個(gè)通信啟動(dòng)程序，初始化GSM模塊并為收發(fā)短消息做設(shè)置。其流程圖如圖4所示。

    系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，每次工作狀態(tài)改變后都向控制方手機(jī)發(fā)送一次工作狀態(tài)和當(dāng)時(shí)參變量。程序中每次修改工作狀態(tài)后都會(huì)觸發(fā)一個(gè)短消息發(fā)送標(biāo)志，主程序讀到該標(biāo)志就調(diào)用一次短消息發(fā)送程序，發(fā)送工作狀態(tài)代碼和參變量，發(fā)送完后清除短消息發(fā)送標(biāo)志，返回主程序。發(fā)送短消息流程圖如圖5所示。

6  結(jié)語(yǔ)

    本文在分析我國(guó)電網(wǎng)供電現(xiàn)狀和照明設(shè)備特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了智能照明節(jié)電系統(tǒng)。該節(jié)電系統(tǒng)適合我國(guó)道路照明電壓波動(dòng)大、對(duì)照明設(shè)備有損害的情況，同樣也適合商場(chǎng)、賓館、寫字樓等場(chǎng)合照明。該系統(tǒng)不僅可以起到節(jié)電的作用，還延長(zhǎng)了燈具使用的壽命，減少了人工維護(hù)方面的投入，所以市場(chǎng)應(yīng)用前景較好。