基于ＧＳＭ短消息控制的智能照明節電系統設計

摘 要：隨著我國經濟的發展，全國的照明用電也日益增大，但照明用電以低效照明為主，極大地浪費了電資源，因此給現有照明系統加配節電控制系統是當務之急。為滿足照明設備節電需求設計了基于GSM短消息控制的智能照明節電系統。該系統所實現的功能是利用微處理器對電網電壓進行檢測并處理分析，通過GSM網絡將電網參數以短消息上報監控中心，由監控中心調控施加在照明設備上的電壓，實現降壓節能的目的。重點論述了智能照明節電系統如何借助GSM模塊，將電網參數、運行狀態等編輯成短消息，利用串口通訊實現與微處理器之間的短消息收發，解析收到的內容并進行相應操作，達到控制系統工作狀態的目的。



關鍵詞：GSM；短消息；智能照明；節電系統

中圖分類號：TP21 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-120-03

Design of Intelligent Lighting Energy-Saving System Based on GSM Short Message Control

TUO Hui

(Shaanxi University of Technology，Hanzhong，723003，China)



Abstract：With the development of economy，the country′s electricity consumption is growing sharply，but the main of lighting is inefficient which waste a huge of electricity recourses，so it is urgent affairs to improve the existing lighting systems with energy-saving control system .In order to satisfy the requirement of saving energy，this paper designs a energy-saving lighting system which based on the GSM Intelligent Short Message control.The function of the system is achieved by the use of microprocessor to detect and analyze the power grid voltage，andthrough the GSM network，the power grid parametersis reportedto monitor center in the form of short message，and the voltage of lighting equipment is controlled by the monitor center，then the objective of energy savingis achieved .The paper emphasizes that the intelligent lighting how to use the GSM module to edit the power grid parameters and running state into short message，and carries out the short message receiving with microprocessors by serial communication，andanalyzes the content of short messages and implement the corresponding operation，then the purpose ofcontrol system is achieved.



Keywords：GSM；short message； illumination of aptitude；energy-saving system



1 引 言

目前我國城鎮、高速公路的照明工程不斷增加，照明電能消費急劇上升，雖然我國燈具采用了新型光源，發光效率較高，但是現有的照明系統比較陳舊，總的能源使用效率依舊比較低^[1]，因此設計智能照明節電控制裝置是當務之急。本文設計的照明節電控制裝置采用微處理器控制系統，實時采集輸入電壓信號，通過計算進行自動調節，從而保證輸出較理想的照明系統工作電壓。該節電系統可實現智能照明調控、有效保護電光源、降低電能消耗的功能。

照明節電控制裝置中控制系統和監控中心的通信由GSM模塊利用GSM網絡實現無線數據傳輸和系統遠程監控。GSM網絡具有盲區少、信號好、全國聯網漫游的特點，特別是GSM的短信息服務，靈活方便，可以自動漫游傳送，而且發送按條計費，低廉可靠。

2 智能照明節電系統工作原理

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時的正常工作電壓加上啟動器產生高壓而使氣體放電點亮燈具，燈具點亮之后適當降低并穩定供電電壓，但不影響燈具的照明。

本文設計的節電控制器便是利用降壓節電原理，在照明設備加電啟動階段，以電網電壓直接輸出，等燈具運行穩定后將電網電壓依次降到200 V，190 V低電壓輸出。

節電控制器的工作過程：節電器開始工作后，首先以電網電壓在預設的啟動穩定時間段內運行；啟動穩定時間過后，節電器的輸出電壓下降至200 V，并保持這一電壓穩定運行；再經過一段固定時間后，節電器的輸出電壓下降至190 V，并一直保持這一電壓穩定運行。節電器的這三種工作狀態被稱為直通、節電一和節電二。當節電器工作狀態設置改變或節電控制信號斷開，輸出電壓將改變為新的節電水平或恢復為電網電壓直接輸出。

3 系統硬件設計

照明節電裝置是實現照明用電自動控制的重要終端設備，通常安裝在照明用電進線端，經過節電系統將電壓施加在照明設備上。本文的智能節電裝置的設計要求就是：能夠適應電網供電電壓各個時間段差異比較大的現狀，可以分時段控制輸出電壓；節電系統工作性能穩定可靠，如果出現意外情況，能夠直接從電網輸出電壓。

智能照明節電系統的硬件總體由處理器、數據采集與轉換電路、GSM模塊、溫度測量裝置和降壓執行裝置等組成^[2]。

本系統設計的核心思想就是由89C52單片機作為處理器，完成檢測照明回路的電壓、電流值以及現場顯示，通過GSM模塊將檢測結果上報監控中心，并根據程序預先設定、或者鍵盤輸入或者監控中心設定對采集的數據實時處理，控制執行電路對電網的輸出電壓實時調控。系統設計的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體框圖

整個硬件的設計需要考慮兩個問題：

市電照明網絡電壓、電流的采集與轉換電路 智能照明節電系統要根據電網的電壓和電流的變化做出相應的判斷和處理，所以電壓和電流的采集必不可少。電壓采樣通過變壓器采集電網電壓，電流采樣選用電流互感器作為電流檢測元件。采樣到的電壓、電流經整流、轉換、濾波后輸出到模數轉換器ADC0809作為他的兩路輸入信號，ADC0809的轉換結束信號線EOC接至單片機的INT1，每次轉換結束后向單片機發送中斷請求，在中斷服務程序中讀出電壓、電流采樣值。

GSM模塊的選擇 該系統的GSM模塊選擇西門子公司生產的MC35i模塊，他是專為GSM/GPRS通信設計的專用雙模塊，工作于EGSM900和GSM1800頻段，在3.5～4.8 V范圍均能正常工作，AT指令直接控制。單片機與GSM模塊通信通過串口發送AT命令完成。MC35i模塊與單片機的接口電路如圖2所示。



圖2 MC35i模塊與單片機的接口電路

注意單片機與MC35i串口不能直接相連，因為89C52管腳為5 V標準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題，同時避免板間干擾、提高系統通信的靈活性和可擴展性，節電系統中在單片機和GSM模塊之間加了一個MAX232電平轉換電路。

下面重點論述控制系統中微處理器與GSM之間如何實現短消息收發。

4 短消息分析與實現

為實現軟件控制短信息的編輯和收發，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AT命令實現短消息的收發。

4.1 短消息分析

短消息的發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。其中只有PDU模式可以用于中英文短消息傳送，但因為有編碼、解碼過程，所以較Text模式復雜。由于PDU模式有很好的數據信息存儲格式，并對中文有很好的支持，PDU模式在GSM移動設備中使用最為普遍，現在各大網絡公司都采用PDU模式來進行短消息的處理。

根據GSM07.05的定義，只要終端通過UART接口向GSM模塊發送AT命令，就可以直接讀取收到的PDU模式的短消息。PDU模式的數據表面上看是一串ASCII碼，由‘0’~‘9’，‘A’~‘F’這些數字和字母組成，他們是8位字節的十六進制數。PDU數據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服務中心號碼、目標號碼、回復號碼、編碼方式^[3]和服務時間等。

目前國內漢字顯示采用GB-2313編碼，而GSM標準中中文編碼采用UTF-8編碼，因此處理短消息時需要進行中文編碼的轉換，才能與采用GB-2313漢字庫相配合顯示漢字字型。

由于UTF-8編碼和GB-2313漢字庫之間不存在一一對應的線性關系，因此嵌入式系統中只能采用查表的方式進行轉換。下面給出一個由UTF-8編碼到GB-2313編碼轉換的算法。

首先在存儲區建立UTF-8和GB-2313兩個編碼表，然后進行軟件解碼。每次從PDU模式的短消息數據串的用戶數據段取出兩個字節，采用二分法快速數據查找算法，在UTF-8編碼表中找到編碼所對應的位置，然后在GB-2313編碼表對應位置上讀出短信內容相對應的GB-2313編碼。相應的軟件流程如圖3所示。二分法的最壞查找次數為lg2(n+1)，UTF-8表的長度n為7 445，所以最壞情況查找次數為13次，即一個中文編碼由UTF-8到GB-2313的轉換最多經過13次比較查找就可完成。這比采用簡單的順序查表快地多，大大減少了查表所花費的時間，非常適合在一般的嵌入式系統中使用。

圖3 UTF-8編碼到GB-2313編碼轉換流程圖

4.2 使用AT命令實現短消息收發

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通信接口的工業標準，他的功能包括配置Modem與軟件共同工作、與遠程系統通信、發起或應答一個呼叫等。AT命令以AT開頭，回車鍵結尾，前綴AT用于通知Modem注意檢測計算機串口發送信號。現在市場上提供的可二次開發的GSM模塊都支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令。通過UART串行接口直接向GSM模塊下發AT命令，就可以方便簡潔地實現GSM短信息的收發、查詢和管理。

4.2.2 使用AT命令發送短消息

對GSM模塊的操作均采用AT指令，指令內容均為ASCII碼。例如要發送字符“Hello!”到手機13579830162中，可采用PDU模式發送。

發送AT+CMGF＝0:選擇短消息格式為PDU模式;

發送AT+CSMS＝0:檢測模塊是否支持SMS命令;

發送AT+CMGS＝20:發送信息有20個字節，不含短信中心信息長度;

發送 08 91 683108200905F0 11 00 0D 91 683135121053F7 00 00 01 06 C8329BFD0E01

其內容含義是：SMSC信息長度為8個字節，為國際格式，號碼8613800290500；被叫號碼長13位，國際格式，是8613532101357；普通GSM類型，點到點方式；7位編碼；信息保留10分鐘；信息長度為6個字符；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程中有時延，所以短消息的到達時間是不確定的。因此必須設定短消息到達提示命令，并定時檢測，這些可以通過AT命令在GSM模塊啟動后設置。

設定短消息到達后自動提示的AT命令為AT+CNMI＝3，1，0，0，0。當短消息到達時會收到＋CMTI：“SM”，index的提示消息，其中＋CMTI為提示信息的幀頭，“SM”，表示短消息的存儲序號，可以根據序號到給定的存儲區將短消息讀出來。

5 短消息收發的通信軟件設計

節電系統中單片機通過串口和GSM模塊連接，通信軟件^[4]主要是完成單片機和GSM模塊之間的數據傳輸。串口連接采用定時器T1產生9 600波特率，定時器工作方式選擇為自動重載方式，通信字節格式設置為8位數據位，無奇偶校驗位，1位停止位。

本系統中，除了狀態改變主動發送短消息之外，都是由控制方發出請求開始，系統根據收到的不同信息內容分別調用相應的命令服務程序，對命令做出響應。在節電系統主程序啟動時，調用一個通信啟動程序，初始化GSM模塊并為收發短消息做設置。其流程圖如圖4所示。

系統正常運行時，每次工作狀態改變后都向控制方手機發送一次工作狀態和當時參變量。程序中每次修改工作狀態后都會觸發一個短消息發送標志，主程序讀到該標志就調用一次短消息發送程序，發送工作狀態代碼和參變量，發送完后清除短消息發送標志，返回主程序。發送短消息流程圖如圖5所示。

圖4 通信啟動程序流程圖

圖5 發送短消息子程序流程圖

6 結 語

本文在分析我國電網供電現狀和照明設備特點的基礎上，設計了智能照明節電系統。該節電系統適合我國道路照明電壓波動大、對照明設備有損害的情況，同樣也適合商場、賓館、寫字樓等場合照明。該系統不僅可以起到節電的作用，還延長了燈具使用的壽命，減少了人工維護方面的投入，所以市場應用前景較好。

參 考 文 獻

［1］蔣衛，魯明璐.照明系統的節能潛力分析\\[J\\].節能，2005(12):40-42.



［2］吳永橋，金康進，施光林.基于AT89C52的日光燈照明節電控制系統\\[J\\].微型機與應用，2005，23(8):36-38.



［3］陳東林，譚云蘭.基于GSM短消息的編碼方法及其編程實現［J］.計算機與現代化，2006(3):115-117.



［4］馬潮.嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設計\\[J\\].單片機與嵌入式系統應用，2003(7):23-26.

作者簡介 脫 慧 女，1977出生，陜西漢中人，實驗師。研究方向為電子技術應用及EDA。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。