利用W5500實現繼電器遠程控制

摘 要：文中提出了采用單片機STC15F2K60S2和以太網控制芯片W5500的繼電器遠程控制方案，并給出了各模塊的詳細電路圖以及單片機主程序流程圖。該方案工作可靠、網絡安全性高、性價比高，在智能樓宇、智能家居等領域有著良好的應用前景。

關鍵詞：遠程控制；W5500；單片機；繼電器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-04

0 引 言

繼電器遠程控制的實現不僅方便了操作并且提高了效率。只要有網絡的地方就可以對繼電器進行控制，再由繼電器控制其他設備，從而實現設備的遠程控制。通過使用以太網控制芯片W5500，利用TCP協議，便可實現繼電器的遠程控制。

1 系統總體結構

系統總體結構如圖1所示。計算機作為客戶端，W5500作為服務器，利用TCP協議實現客戶端到服務器的連接。計算機端使用廣州致遠電子有限公司開發的免費軟件“TCP&UDP測試工具”發送繼電器控制命令；控制命令經網絡傳送到W5500；單片機通過讀取W5500的接收數據存儲器接收控制命令，并根據命令對繼電器進行開關控制。系統所需的主要工作包括W5500網絡控制模塊電路的設計、單片機及繼電器控制模塊電路的設計和單片機控制程序的設計。

圖1 系統總體結構

2 硬件設計

2.1 W5500網絡控制模塊

系統以W5500芯片為核心組成網絡控制模塊，采用TCP協議與計算機端進行通信，接收計算機端發送來的繼電器控制命令。

2.1.1 W5500簡介

由于OSI（Open System Interconnection，開放式系統互聯）七層協議的網絡體系結構模型與TCP/IP四層協議的網絡體系結構模型都有各自的優缺點，因此在分析、研究計算機網絡時往往采用Andrew S.Tanenbaum教授建議的綜合以上兩種模型優點的五層協議的網絡體系結構模型，它包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層以及應用層。

W5500是韓國WIZnet公司于2013年推出的一款以太網控制芯片，它整合了五層計算機網絡體系結構中的前四層，即物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層，并在內部利用硬件實現了TCP/IP協議棧。全硬件TCP/IP協議棧完全獨立于主控芯片，可降低主芯片負載且無需移植繁瑣的TCP/IP協議棧；可有效應對網絡攻擊和病毒，安全性高[1]。W5500為用戶提供了一個簡易的互聯網連接方案。W5500功能框圖如圖2所示。

圖2 W5500的功能框圖

W5500集成了硬件TCP/IP協議，包括TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP以及PPPoE協議和以太網的PHY和MAC層。W5500內嵌32 K字節收發緩存以供以太網包處理。用戶使用W5500，只需要一些簡單的Socket編程就能實現以太網應用。這將會比采用軟件實現TCP/IP協議棧的傳統以太網方案更加快捷、簡便。用戶可以同時使用8個硬件Socket獨立通訊。W5500提供了串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI），從而能夠更加容易地與外設MCU整合。而且W5500使用了新的高效SPI協議支持80 MHz速率，從而能夠更好地實現高速網絡通訊。為了減少系統能耗，W5500提供了網絡喚醒模式（Wake on LAN，WoL）及掉電模式供用戶選擇使用[2]。

2.1.2 W5500網絡控制模塊電路設計

W5500網絡控制模塊電路如圖3所示。其中，P1為帶網絡變壓器的RJ45插座，通過網線與網絡連接；P2插針用于模塊供電以及和單片機連接。W5500正常工作時，需提供3.3 V數字電源，VDD（28腳）對GND（29腳）；3.3 V模擬電源，AVDD（4/8/11/15/17/21腳）對AGND（3/9/14/16/19/48腳）。為方便與外部不同工作電壓的單片機控制系統配合工作，本模塊可通過P2插針輸入+5 V或3.3 V電壓供電。當外部輸入電壓為+5 V時，+5 V電源經低壓差電壓調節器U1 LM1117-3.3轉換為+3.3 V電壓輸出，對整個模塊供電，并可通過P2插針的+3 V 3D引腳給其它模塊提供3.3 V電源。

W5500的XI（30腳）、XO（31腳）為時鐘引腳，共外接25 MHz石英晶體振蕩電路；RSTn（37腳）為復位引腳，低電平有效，和單片機I/O引腳連接，由單片機控制W5500進行復位；PMODE2（43腳）、PMODE1（44腳）、PMOD0（45腳）為網絡工作模式選擇引腳，設置為“所有功能，啟動自動協商”；EXRES1（10腳）為外部參考電阻引腳，外接一個精度為1%的12.4 kΩ外部參考電阻，為內部模擬電路提供偏壓；TOCAP（20腳）為外部參考電容引腳，外接一個4.7 μF電容，而且到該電容的走線要盡量短一些，以保證內部信號的穩定；1V2O為內部穩壓器1.2 V電壓輸出引腳，外接一個10 nF電容；TXN（1腳）、TXP（2腳）為差分信號發送引腳；RXN（5腳）、RXP（6腳）為差分信號接收引腳；SCSn（32腳）為W5500的SPI接口片選引腳，低電平有效；SCLK（33腳）為SPI時鐘輸入引腳；MISO（34腳）為SPI主機輸入從機（W5500）輸出引腳；MOSI（35腳）為SPI主機輸出從機（W5500）輸入引腳；INTn（36腳）為W5500中斷輸出引腳，低電平有效。

2.2 單片機及繼電器控制模塊

W5500利用硬件實現了TCP/IP協議棧，大大降低了主控芯片負載，使得應用廣泛的8位單片機也能順利完成以太網接入。本方案采用我國宏晶科技公司最新推出的內置高速SPI接口的增強型8051單片機STC15F2K60S2作為主控芯片。

2.2.1 STC15F2K60S2簡介

STC15F2K60S2 單片機采用1T（1時鐘周期/機器周期）增強型8051內核，速度比傳統8051單片機快7～12倍，也比STC早期的1T系列單片機（如STC12/11/10系列）快20%；內置大容量2 KB的RAM數據存儲器，1 KB的Flash數據存儲器，60 KB的Flash程序存儲器；具有3個16位可自動重裝的定時/計數器（T0/T1/T2），1個高速SPI，8通道10位ADC等資源。并且，它內部集成高精度R/C時鐘（±0.3%），頻率從5 MHz～35 MHz可選（相當于傳統8051：60 MHz～420 MHz），可徹底省掉外部昂貴的晶振；內部集成高可靠復位電路，ISP編程時8級復位門檻電壓可選，可徹底省掉外部復位電路；具有在系統編程（In System Programming，ISP）功能，無需專用編程器[3]。

2.2.2 單片機及繼電器控制模塊電路設計

單片機及繼電器控制模塊電路如圖4所示。STC15F2K60S2單片機控制電路省略了傳統8051單片機最小應用系統中所必需的外部晶振、外部復位電路，提供+5 V電源單片機即可工作，外圍電路非常簡潔。在電源+5 V和GND之間就近加上電源去耦電容C21（10μF）、C22（0.1μF），可去除電源線噪聲，提高抗干擾能力。P3為單片機ISP接口，便于采用USB轉TTL電平的串口下載線進行系統軟件的升級；P4為單片機SPI接口，用于和W5500芯片通信。

系統中設計了兩路繼電器控制電路，可用于控制外部開關量。繼電器的驅動電路由三極管Q1、Q2組成，Q1、Q2起功率放大作用。繼電器K1、K2分別由單片機的P2.7、P2.6引腳控制。繼電器K1、K2的常開、常閉觸點分別經接線端子P5、P6引出。

3 軟件設計

通過W5500利用TCP協議實現繼電器遠程控制的單片機程序采用C語言編寫，主程序流程圖如圖5所示。

在主程序中，首先進行單片機的SPI接口和W5500模塊的初始化，然后檢查W5500是否接收到數據。若接收到數據，則單片機讀取W5500的數據接收存儲器，并根據讀取到的命令對繼電器進行控制。在計算機端發送命令“open+RLY_K1”或者“open+RLY_K2”打開繼電器K1和K2，發送命令“close+RLY_K1”或者“close+RLY_K2”則關閉繼電器K1和K2。各程序模塊主要工作包括以下幾項內容。

3.1 SPI接口初始化

STC15F2K60S2單片機通過SPI接口與W5500進行通信，對W5500所有的操作都需要通過SPI接口進行數據傳輸。在對W5500進行數據傳輸之前，要先對STC15F2K60S2的SPI接口的相關寄存器進行設置，即SPI接口的初始化。STC15F2K60S2單片機SPI接口的初始化包括以下幾點：

通過SPI控制寄存器SPCTL設置：忽略引腳，SPI使能，數據字的最低位（LSB）最先傳送，設置為主機，SPI空閑時SCK=1，數據在SCK的前時鐘沿驅動到SPI口線，SPI模塊在后時鐘沿采樣。

清0寄存器SPSTAT中的標志位SPIF和WCOL（向這兩個標志位寫1即可清0）。

開放SPI中斷（IE2中的ESPI=1，IE2寄存器不能位尋址，可使用“或”指令進行設置）。

開放總中斷（IE中的EA=1）。

3.2 W5500初始化

在使用W5500之前，首先應對其進行初始化，正確設置以下寄存器：模式寄存器（MR）、中斷屏蔽寄存器（IMR）、重發時間寄存器（RTR）、重發次數寄存器（RCR）、本機硬件地址寄存器（SHAR）、網關地址寄存器（GAR）、子網掩碼寄存器（SUBR）、本機IP地址寄存器（SIPR）以及設置Socket存儲器信息。初始化過程結束后，W5500可以以TCP、UDP、IPRAW和MACRAW的模式打開Socket，以進行數據的發送和接收。

3.3 接收數據

接收數據時，需要檢查寄存器Sn_RX_RSR，檢查數據是否已經被接收到：如果Sn_RX_RSR的值大于0，則說明接收到的數據在接收存儲器（RX buffer）中，然后通過讀取RX讀指針寄存器（Sn_RX_RD0）獲取數據地址，然后將數據從W5500接收存儲器中讀出，并存放到單片機端的接收緩沖區RX_BUF數組中。

圖5 單片機主程序流程圖

3.4 讀取命令，控制繼電器

通過查找RX_BUF數組中是否包含有“open+RLY_K1”、“open+RLY_K2”、“close+RLY_K1”或者“close+RLY_K2”命令，并根據讀取到的命令，通過控制單片機P2.7、P2.6引腳電平的高低對繼電器K1、K2進行開關控制。

3.5 清空接收緩沖區

清空單片機端的接收緩沖區RX_BUF數組，為接收下一個控制命令做好準備。

4 實驗結果

在計算機端打開 “TCP&UDP測試工具”，點擊“創建連接”，選擇類型為“TCP”，目標IP為W5500的本機IP地址，端口為W5500的Socket0的端口號，本機端口設置為“隨機選擇端口”，完成客戶端的創建；連接好網線，給單片機控制模塊、W5500網絡控制模塊上電，點擊“TCP&UDP測試工具”上的“連接”，客戶端（計算機端）與服務端（W5500模塊）連接成功；通過“TCP&UDP測試工具”分別發送“open+RLY_K1”、“open+RLY_K2”、“close+RLY_K1”、“close+RLY_K2”等命令，能正確控制對應的繼電器接通斷。

5 結 語

本文提出了基于STC15F2K60S2+W5500的繼電器遠程控制方案，并給出了各電路模塊詳細的電路圖和單片機主程序流程圖。通過網絡，對繼電器進行遠程控制，再由繼電器控制其他設備，便可實現設備的遠程控制。在需要遠程控制的設備數量較多的應用場合中，還可以根據以上設計方案增加繼電器的路數來實現。該方案工作可靠、網絡安全性高、性價比高，在智能樓宇、智能家居等領域有著良好的應用前景。

參考文獻

[1] 陳桂友，陳海峰，賀紅.物聯網智能網關設計與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013：222-224.

[2] WIZnet.W5500 Datasheet Version 1.0.6[EB/OL].（2014-12-30）[2015-12-18]. http：//wizwiki.net/wiki/lib/exe/fetch.php？media=products：w5500：w5500_ds_v106e_141230.pdf

[3] 吳永德，羅萍.基于STC15F2K60S2單片機的LED光立方設計[J].電腦編程技巧與維護，2015（11）：81-84.