基于Arduino的樓宇機電設備遠程短信控制系統設計

賈曉寶，譚凌峰，蔣岱童，許旭東，楊志豪（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

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基于Arduino的樓宇機電設備遠程短信控制系統設計

賈曉寶，譚凌峰，蔣岱童，許旭東，楊志豪
（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

摘 要：文章設計了基于Arduino微控器的樓宇機電設備遠程控制系統，該系統包括控制器模塊和無線通信模塊，以GPRS SIM900A作為遠程監控系統的通信平臺，輔以LCD液晶顯示屏、操作鍵盤、雙控面板開關及時鐘模塊等.通過操作鍵盤可方便設置系統的合法用戶，經授權的用戶可通過手機發送R或C命令，遠程讀取樓宇機電設備的運行狀態，控制其啟動或停止，還可通過現場的雙控面板開關實現設備的就地控制.時鐘模塊確保控制系統意外掉電后仍能精確計時.

關鍵詞：Arduino；GPRS SIM900A；機電設備；短信

隨著綠色建筑+互聯網研究的深入，僅由于機電設備的遠程可視可控性，就可以將能耗節約提升5%～5%[1].現有的互聯網遠程控制研究[2-5]重點都著眼于用電負荷不大的對象，控制系統大多基于單片機與通信模塊開發，開發過程較為復雜.針對樓宇等大型機電設備的遠程控制，國內外目前主要采用Honeywell的Excel5000或Siemens的Apogee系統，其系統龐大，價格昂貴，使用煩瑣.文章從控制過程簡單、節能等角度出發，設計了基于開源硬件Arduino與GPRS SIM900A的遠程通信控制系統.

1　系統結構

1.1系統工作原理

基于短信的遠程控制是通過手機等設備將監控命令以短信息的方式發送至手機通信網絡，網絡將控制命令轉發到遠程微控器，微控器根據短信息指令執行相關動作，從而實現對遠程設備的狀態讀取或啟停控制.系統設計原理圖如圖1所示.

圖1　短信遠程控制系統設計原理圖

該系統設計2種控制模式，即自動模式和手動模式.手動模式時，用戶可通過現場開關直接控制；自動模式時，用戶可通過手機短信的方式遠程讀取設備狀態和控制設備.控制系統的主要部件包括控制器模塊和無線通信模塊.微控制器是整個系統的核心，無線通信模塊負責系統與設備管理人員的信息交互，根據接收到的短信息或鍵盤輸入信息執行相應的動作.用戶通過系統鍵盤，可授權一個或多個用戶遠程使用該系統；并可設置控制系統定時給管理人員發送設備運行狀態的時間.考慮現場機電設備供電電源一般是220 VAC或380 VAC，而微控制器的輸出引腳一般只能夠提供5V（40 mA）左右的電流[6]，因此系統設計了繼電器模塊，由微控制器通過控制繼電器模塊間接實現對高電壓大電流設備的控制.

1.2系統硬件構成

微控制器是控制系統的核心，系統基于開源硬件平臺Arduino Mega 2560進行設計開發.Arduino是目前非常流行的電子互動平臺，基于單片機系統開發，具有使用簡單、功能多樣、價格低廉等優點，廣泛應用于控制系統設計和互動產品開發[7].Arduino Mega 2560具有54路數字輸入輸出，16路模擬輸入，4路UART接口，非常適合需要大量輸入輸出接口控制的對象[8].此外，該控制板可通過標準的USB線纜與電腦連接，通過在線調試程序，大大縮短了開發周期.

遠程監控一般通過2種方式實現，一種是GPRS短消息模塊發送控制指令；另一種利用互聯網通訊協議來發送指令.2種方法的控制效果沒有明顯差別，第一種方法對網絡環境的要求不高，只要能接收到穩定的手機信號就可以.但第二種方法要求應用場景具有可以從外部直接訪問的固定IP.因此本系統釆用發送短消息的方式實現遠程控制.為了實現遠程短信息的接收和發送，必須選擇一款能夠與Arduino微控制器易于連接的遠程通信模塊.目前在單片機開發領域主流的GPRS通信模塊有西門子的TC351，WaveCom公司的GR64/Q64，華為公司的GTM900C/EM310，SIMCom公司的SIM900A[9].本文開發的控制系統采用SIM900A，主要原因是其可以方便與Arduino開發板通過串口連接進行通信，同時該模塊在遠程數據監控以及GPS定位等領域應用廣泛.

為了使該控制系統功能更加完善，使用更人性化，系統硬件配置了時鐘模塊、光耦傳感器模塊、雙控面板開關、LCD液晶顯示器和鍵盤等輔助設備.時鐘模塊選擇DS3231，該器件是一款高精度I2C實時時鐘器件，具有集成的溫度補償晶體振蕩器，當控制系統發生意外掉電時仍可保持精確計時.光藕傳感器選擇220V交流光電藕檢測模塊，檢測220V交流電是否存在，其真正作用是為了檢測現場被控設備的運行狀態.顯示屏和鍵盤分別采用12864顯示屏和4*4薄膜鍵盤，用于控制系統的信息顯示和系統設置.設計雙控面板開關實現設備的就地控制.以3個負載作為控制對象的具體系統硬件設計圖如圖2所示.

2　系統軟件設計

系統軟件程序設計包括初始化程序與主程序2個部分.初始化主要包括對Arduino控制板的引腳形式的初始化、波特率的設置及I2C總線的初始

化.主程序則主要判斷串口是否有信息發來，判斷是否是合法的目標用戶，根據用戶發送的信息執行相應動作.其軟件工作流程如圖3所示.

2.1系統初始化

初始化主要通過setup()函數完成，setup()函數只在系統上電后運行一次，其作用是在系統主函數運行前為系統做一些基本的初始化工作，比如設置引腳形式和波特率等[6].在遠程短信平臺控制的軟件實現過程中，初始化主要由4部分組成：Arduino控制板的引腳狀態的初始化、波特率的設置、I2C總線初始化及系統時鐘的初始化.① 引腳狀態的初始化通過pinMode函數來完成，該函數有2個參數，第一個參數指定引腳號，第二個函數代表引腳模式是輸出模式還是輸入模式.引腳22~24設計為輸入模式，讀取負載運行狀態；引腳10~14設計為輸出模式，其中10~13引腳負責設備啟動和停止，第14號引腳用來表示串口數據接收標志.② 波特率是信號傳輸速率的一種量度，表示了每秒鐘傳遞的比特數號，在編程語言中調用串口函數來進行波特率的設置，該系統設計波特率為9600Bd.③ 時鐘模塊DS3231通過I2C總線與Arduino控制板通信，在初始化芯片的I2C總線前必須加入庫函數Wire.h，通過begin()來實現.④初始化程序的最后部分是對系統當前時間的讀取和系統負載當前狀態的讀取.具體程序示例樹狀圖如圖4所示.

圖2　系統硬件設計圖

圖3　軟件工作流程圖

2.2短信的讀取與發送

通信模塊SIM900A與Arduino微控器通過串口進行通信，串口連接成功后，微控制器會持續判斷串口信息的有效性.短信的讀取與控制在主程序loop()函數中實現，該loop()函數打開后就一直運行，并且只要沒有關閉或者沒有按下重啟按鈕就會一直循環運行下去[6].

圖4　系統初始化程序樹狀圖

短信息讀取和發送通過AT命令執行，用戶可以通過AT指令進行呼叫、短信、電話本、數據業務、傳真等方面的控制[10].在執行讀取或發送短信操作前，首先應設置字符集，在發送純英文短信的時候，應發送：AT+CSCS=“GSM”，設置為缺省字符集即可.在發送中英文短信的時候，需要發送：AT+CSCS=“UCS2”，設置為16 位通用8字節倍數編碼字符集.AT+CMGR命令用于讀取短信，比如發送：AT+CMGR=1，則可以讀取SIM卡存儲在位置1的短信.AT+CMGF命令為短消息發送格式命令，該命令的值可以設置為“0”或者“1”.如果設置為“0”，則代表短消息格式為PDU模式；如果設置為“1”，則代表短消息格式為TEXT模式[4].PDU模式主要用于中英文短消息的發送，TEXT模式主要用于英文短消息發送，因該系統傳輸的僅為簡單的英文字母和數字，所以設置“AT+CMGF=1”即表示用模式TEXT來傳送消息.以發送設備當前運行狀態為例的子函數設計代碼如圖5所示.

圖5　負載當前狀態發送程序樹狀圖

3　設計案例

按照上述設計思想，設計的三回路負載控制系統實驗板如圖6所示.

為了便于測試系統，三路負載用日光燈替代，當用戶發送“R”給控制系統時，系統自動將燈的開關狀態以消息0或1的形式反饋給用戶；發送“C”可進行遠程控制.同時通過實驗板上的雙控開關，用戶也可實現三組燈的本地控制.該控制系統在深圳職業技術學院機電學院樓宇專業的技能大賽實訓分室安裝并進行了測試，一路控制實訓室照明，另一路控制室內風扇，系統長期工作穩定可靠.此外，該控制系統也得到中山職業技師學院老師的認可，并計劃用于實訓室風扇的控制，以解決實訓室風扇長期不及時或忘記關閉造成的能源浪費.該控制系統設計采用低功耗電子元器件，使用壽命長，成本低，并且控制回路數量可以根據被控對象的多少靈活增減.需要說明的是，系統當前設計僅為基礎階段，只考慮了手機遠程短信控制的可靠性和系統運行的穩定性，后期將結合使用場景，結合用戶的工作生活習慣，應用優化算法實現樓宇機電設備的最大化節能.

圖6　系統測試實驗板

參考文獻：

［1］ 愈紅蕊，李玲.建筑節能發展趨勢探討［J］.資源節約與環保，2015（8）：75-76.

［2］ Han R P S. The Control System Based on GSM Short Message Application in the Appliances Control［C］//第十七屆全國青年通信學術年會論文集， 北京： College of Engineering, Peking University, 2012：513-516.

［3］ Angelo. Arduino based Food and Water Dispenser for Pets with GSM Technology Control［J］. International Journal of Scientific Engineering and Technology, 2015 （4）：231-234.

［4］ 吳志慧.基于GR47通信模塊的短信遠程家電控制系統［J］.機電工程，2008，25（8）：26-28.

［5］ 王超.基于TC35短信模塊的開關遠程控制系統設計［J］.微型機與應用，2015，34（4）：29-33.

［6］ 沃倫，亞當斯，莫勒.Arduino機器人權威指南［M］.于欣龍，譯.北京：電子工業出版社，2014：28.

［7］ 蔡睿妍.Arduino的原理及應用［J］.電子設計工程，2012，20（16）：155-157.

［8］ 賈瑞.基于ArduinoMega2560的無線監控小車設計［J］.數字技術與應用，2013（10）：144-146.

［9］ 周騎.面向家庭的無線移動視頻監護系統［D］.北京：北京交通大學，2015.

［10］ 李育陽.基于GSM的學生成績發布系統的設計［J］.科技視界，2014（36）：157-158.

Short Message Control System for Building Mechanical and Electrical Equipment Based on Arduino Micro-Controller

JIA Xiaobao, TAN Lingfeng, JIANG Daitong, XU Xudong, YANG Zhihao
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

Abstract:The paper designed the remote short message control system for building mechanical and electrical equipment based on Arduino micro-controller. The system uses the GPRS SIM900A as a signal communication platform, aided with LCD display, keyboard, double switch control panel, and clock module. The user can be easily authorized to operate the system through the keyboard, and legitimate users can monitor and control the equipment by sending short messages “R” or “C” from mobile phones. Besides, devices can be controlled by a switch button installed in the field. The clock module can calculate time accurately even when the system is powered off accidentally.

Key words:Arduino; GPRS SIM900A; mechanical and electrical equipment; short message

作者簡介：賈曉寶（1976-），男，陜西人，碩士，講師，研究方向為樓宇智能化控制技術.

收稿日期：2016-01-04

DOI:10.13899/j.cnki.szptxb.2016.03.004

中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0318（2016）03-0019-05