基于GSM網絡的遠程遙控空氣開關系統

鄒 恩，霍 慶，黃浩揚，楊華青

（華南農業大學 工程學院，廣州 510642）

目前無論在工業用電還是家庭用電上，空氣開關發揮著重要保護作用，但是空氣開關不具備定時跳閘和遙控跳閘的功能，脫離不了人工近距離控制。如果工作人員下班后忘記關斷用電設備電源，就必須有能夠接觸到電源開關的人才能切斷電源；又如需要遠距離緊急關斷建筑內所有用電設備，或者在下班后定時斷電，讓在場人員自覺離場，這都需要人工操作[1]。

目前市場上的常用遙控開關多為基于短距離電磁波或以太網傳輸形式，缺點是傳輸距離短、對遙控設備的功率有限制、功能單一等。隨著全球移動通信技術的不斷發展，GSM無線通訊技術的短信息（SMS）因其具備隨時在線、廣范圍覆蓋性、可靠性高的特點，被廣泛應用于各種數據通訊設備[2]。

本文提出一種不受時間、地點限制，利用手機遙控實現瞬時跳閘、指定時間合閘的空氣開關控制系統，開關通斷的時間點可通過手機鍵盤實時修改。目前該系統已通過用戶的驗收，應用在建筑中可方便用電的規范管理。

1 控制系統總體設計

遠程遙控空氣開關系統包括手機端發射模塊、GSM接收模塊、主控芯片STC12C5052AD、繼電器模塊、空氣開關模塊、時鐘模塊。首先在單片機程序中設置唯一可以控制該裝置的手機號碼，由該號碼手機端發射模塊發出一組可識別的信息，可控制空氣開關定時和隨時跳閘。每次空氣開關動作后系統發送空氣開關的狀態信息到手機上，手機用戶能夠實時獲取反饋信息，了解系統是否正常工作。SIM卡中短信的數量達到50條后，單片機發送清除短信命令以保證GSM模塊正常運作，從而確保整個系統的長時間穩定運行。

時鐘模塊PCF8563提供時鐘信號，并且GSM模塊接收信息時單片機獲取移動網絡端的標準時間，校正時鐘芯片的時間，保證時間的準確性；通過主控芯片設定的時間與時鐘模塊時間做比較，發出控制命令，且該設定時間可由手機信號命令隨時修改，每次修改后的時間和空氣開關的狀態保存在單片機自帶的E2PROM中，保證系統斷電后保持上一次空氣開關的狀態，滿足定時控制空氣開關的要求。系統控制框圖如圖1所示。

圖1 控制系統框圖Fig.1 Diagram of control system

2 系統硬件設計

硬件部分主要包括：MCU單片機模塊、GSM模塊、時鐘模塊、繼電器模塊、空氣開關模塊5部分。

2.1 主控芯片選型

本系統選用STC12C5052AD單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，是一款單時鐘、機器周期和低功耗的單片機。工作電壓范圍2.4～3.8 V；用戶可利用的程序空間高達5 K字節；片上集成了256字節的RAM；支持ISP（在系統可編程）和IAP（在應用可編程）[3]。

2.2 單片機核心控制模塊

單片機核心控制模塊的設計主要包括MCU單片機的最小系統與時鐘芯片、GSM模塊、繼電器的連接設計。其中P3.0、P3.1作為與GSM模塊通信的串口；P3.5為采用三極管9013驅動的繼電器引出端；P1.5和P1.4分別作為時鐘芯片PCF8563的I2C通信的數據線和時鐘線；單片機外接11.0592MHz晶振，保證時鐘準確；主控電路原理如圖2所示。

2.3 GSM通信模塊

本系統使用的是Siemens公司生產的TC35I模塊，TC35I集成了標準的RS232接口以及SIM卡，可在計算機上用AT指令通過串口發送命令進行設置，這使它成為在數據通訊上通用的一個GSM終端產品[4]。該模塊主要由兩部分電路組成：TC35I電路和SIM卡電路。

2.4 時鐘模塊

PCF8563芯片外接32.768 kHz晶振，保證走時準確，掉電保護電路由BT1、D1和D2構成，滿足芯片連續工作。時鐘線SCL與單片機的P1.4連接，數據線SDA與單片機的P1.5連接。時鐘線和數據線分別用一個上拉電阻與正電源相連，其數據只有在總線不忙時才可傳送[5]。時鐘模塊如圖3所示。

圖3 PCF8563電路圖Fig.3 Circuit diagram of PCF8563

2.5 繼電器模塊

繼電器是一種電子控制器件，可用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”，故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。繼電器模塊采用SRD-5VDC-SL-C松樂繼電器，工作電壓為DC5V，可控制AC220V的用電設備，用于控制空氣開關跳閘，繼電器電路如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路Fig.4 Circuit of relay

COM1口與單片機的P3.5腳相連，當該口輸出高電平時，繼電器從常開狀態轉為常閉狀態；輸出低電平時，繼電器從常閉狀態轉為常開狀態。

2.6 空氣開關模塊

選用正泰空氣開關DZ47LE，該開關采用VG54123芯片構成漏電保護器，具有漏電、過流保護等功能[6]，空氣開關內部電路如圖5所示。

圖5 空氣開關內部電路圖Fig.5 Circuit diagram of air automatic sw itch

D1-D4為整流橋，KM為繼電器，SB為常開按鈕，ZTA為零序電流互感器，監測漏電流，SCR為晶閘管，虛線框內為VG54123芯片的內部電路圖。當SB按鈕按下時，空氣開關自動跳閘。基于這個原理，繼電器的輸出回路與SB按鈕并聯，通過繼電器的閉合來控制空氣開關跳閘，形成一種新型可遙控的開關。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要使用C51語言編程，在Keil uVision4環境下調試完成。程序主要包括硬件初始化程序，GSM模塊程序，PCF8563時鐘芯片程序和中斷服務程序。GSM模塊程序接收手機端發送的信息并回顯給MCU；時鐘芯片程序主要是向MCU提供時鐘信號，MCU處理時鐘信號后實現定時跳閘；中斷服務程序包括手機信號內容的截取和處理。

3.1 程序設計

3.1.1 主程序設計

主程序流程圖如圖6所示，主要進行STC12C5052AD和GSM模塊初始化。單片機的初始化包括串口、定時器、IO端口等；GSM模塊初始化包括將短信息收發控制模式設置為Text模式，設置短消息服務中心為廣東移動和設定為串口回顯模式；等待30 s，GSM成功搜索網絡后系統進入正常工作模式開始等待中斷。另外，時鐘芯片提供時鐘信號，系統處于時間檢測狀態。若設定跳閘時間為下午5點，則空氣開關自動跳閘，若設定允許合閘時間為早上7點，則在該時刻允許合閘，并把系統的在線狀態以短信形式返回手機用戶，避免因網絡信號不好導致系統沒執行動作而用戶不知的情況。中斷到來，執行中斷子程序，否則一直檢測時間。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of master program

圖7 中斷子程序流程圖Fig.7 Flow chart of interrupt function

3.1.2 中斷子程序設計

中斷子程序的內容主要是接收特定號碼手機的信息，并把信息的內容提取便于單片機處理，滿足各種手機命令操作。中斷子程序流程如圖7所示，首先判斷是否收到特定手機號碼的信息，然后GSM模塊回顯短信內容到單片機，單片機截取該條短信的序號并發送讀取命令，如讀取內容為“open”，則單片機 P3.5 置 1；如讀取內容為“setopentime：17：00”，則設定空氣開關跳閘時間為17：00。

3.2 無線模塊TC35I的軟件分析

3.2.1 AT指令分析

短信息的解碼和編碼是軟件編程的核心。AT命令集是調制解調器通信接口的工業標準，是調制解調可以識別并執行的命令[7]。通過串口通信，單片機可以向模塊發送一系列AT指令控制該模塊。發送的指令和接收的指令均為字符的ASCII碼，在單片機編程中需注意字符串的轉換。

程序開始時，需要發送指令將TC35I初始化，其中"AT+CNMI=1，1，2 "用于設置短消息到來時自動回顯；"AT+CMGF=1 "，設置Text編碼模式，在Text模式下，發送和接收信息都是文本格式；"AT+CSCA=+8613800200500 "設置短消息服務中心地址；發送完3條指令后GSM初始化完畢。

若有新的短消息到來，則GSM模塊自動向串口發送“+CMTI：‘SM’＜Number＞”，其中 Number為短信的序號；此時單片機進入中斷狀態，構造AT指令“AT+CMGR=＜Number＞ ”并發送；此時 GSM 模塊將回顯短消息服務中心地址、數據內容以及消息發送的時間等，程序從回顯信息中截取實際需要的內容，如短信上的網絡時間和控制命令，從SIM卡中讀出消息并處理后，考慮到SIM的短信容量為50條，發送“AT+CMGS=＜Number＞ ”將消息刪除。

3.2.2 GSM通訊的特殊情況處理

GSM在斷電情況下，模塊可能接收移動客戶端的非期望短信，此時SIM卡會積累多條信息，按照上述短信到來的狀況，實時已經不能符合要求，在此程序設計中增加判斷短信條數后執行循環指令“AT+CMGS=＜i＞ ”，變量 i從 0～20 依次取值，刪除前20條短信。另外在正常工作的狀態下突然斷電，單片機會自動復位，這會導致設置的定時跳閘時間丟失。考慮到上電系統需保持上次設定時間，每次設置的時間都存入單片機自帶的E2PROM中，在程序初始化中調用E2PROM，讀取上次設定的時間，保證每次上電系統保持上一次設定時間。

4 結語

本文搭建了一套基于GSM網絡的遠程遙控空氣開關系統，可不受時空限制，實現隨時和定時跳閘，并可通過手機終端發射信號修改跳閘時間點，能夠為用電管理提供便利。系統利用現有的GSM無線網絡，信號能夠覆蓋半徑最大35 km，克服傳統無線開關控制距離短，控制用電器功率有限制等缺點，并且擺脫傳統開關只有手動控制，增加定時跳閘功能。此外，本設計還可用于宿舍用電管理和智能家居遠程管理等。

[1] 周密.空氣斷路器的發展方向與產品開發[J].電氣時代，2006（1）：11-13.

[2] 張華東，秦建春，劉明.移動地線遠程在線監測系統的設計與開發[J].自動化與儀表，2007，22（2）：45-48.

[3] 宏晶科技.STC12C5052AD系列單片機器件手冊[Z]，2009．

[4] 董殿永，姜平.基于GSM短信息的無線微型打印機設計[J].自動化與儀表，2013，28（2）：33-36.

[5] 呂志剛，王鵬.基于STC89C58單片機淋浴節水控制器設計[J].自動化與儀表，2011，26（7）：57-60.

[6] 李永獻，馮平，張保同.基于VG54123的正泰NL18型漏電斷路器電路分析及調整[J].電工技術，2009（9）：84-85.

[7] 劉敏娜，潘宏俠，黃小娟.基于GPRS的風力發電機遠程監控系統設計[J].自動化與儀表，2011，26（7）：29-33. ■