摘  要： 設計了一種電器開關無線監控系統。系統實現了對多臺電器電源的手動開關、本地計算機遙控開關、遠程網絡終端控制開關三種控制方式的實時或定時控制，同時在本地計算機和遠程網絡終端中提供了顯示受控電器的電源通斷狀態。系統硬件通過USB接口實現與上位機的通信，通過無線電實現對電器的監控，并采用了跳頻和時分技術，克服了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題。
關鍵詞： 無線監控；USB接口；同頻干擾；電器開關

　隨著社會經濟水平的發展，人們越來越追求舒適、便捷的生活方式，對家居的要求也趨向于智能化、自動化。電子技術在智能家居產品中得到廣泛應用，而融合了計算機網絡與通信技術的家居控制系統更給人們的生活帶來了全新的體驗。現有的家居電器控制系統可通過電話線、GSM網絡、GPRS無線網絡等方式實現對電器的遠程控制[1-3]，但控制方式比較單一，也比較少涉及對電器開關狀態的監視，遠程用戶實際上是處于　一種盲操作狀態：既不知當前電器開關狀態，也不知操作后電器的執行情況。
本文所述的電器開關無線監控系統不僅實現了對電器開關多種方式的控制，而且也同時實現了對電器開關多種方式的監視，實現了真正意義上的監控。具體包括如下幾種方式：
　（1）手動開關監控。和人們的日常習慣相同，通過手動控制開關，同時通過開關指示燈提示開關的狀態。
　（2）遙控開關監控。利用本地計算機集中控制開關，并能在計算機界面實時顯示各個開關的狀態，方便辦公室或家居用戶對所有電器的集中監視、控制和管理。如辦公人員下班前即可在電腦前完成對辦公室所有電器的集中檢查，關掉不必要的電器，以節約能源并減少安全隱患。
　（3）遠程網絡開關監控。通過計算機網絡，在遠程終端中實現對開關的控制，并能夠顯示開關的通斷狀態，方便遠程控制端的用戶對電器進行實時監視。如辦公人員下班以后、或者遇到雷電天氣時，完成對辦公室所有電器的集中檢查，關掉不必要的電器，以節約能源并減少安全隱患。
系統采用USB作為硬件設備與上位機的通信接口，既可實現硬件設備的即插即用，又為設備提供了電源，免去外置電池，利用計算機作為控制平臺，則可借用其豐富的硬件資源，方便地實現對電器多種方式的靈活控制。此外，系統采用跳頻和時分技術，解決了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題，提高了系統的穩定性。
1 系統設計
　系統采用了本地計算機、遠程網絡終端、主控制設備及從設備的框架結構，如圖1所示。本地計算機和遠程網絡終端的上位機應用程序負責響應用戶的控制指令并傳給主控制設備，由后者控制相應的從設備做出響應；從設備除控制電器電源開關外還負責采集其狀態信息，以供主控設備返回給上位機。

　主控制設備與多個從設備間采用無線雙向傳輸方式，以避免設備安裝時布線的麻煩。常用的無線傳輸方式有藍牙技術、ZigBee技術和基于nRF24L01射頻收發器件的2.4 GHz無線傳輸、基于PT2262/PT2272編解碼芯片的315 MHz或433 MHz無線傳輸等[3-5]。考慮到系統中每個受控電器均需一個從設備來單獨控制，因此從設備的結構簡單及成本低廉顯得尤為重要，故本設計采用基于PT2262/PT2272的無線傳輸方式，并采用跳頻技術和分時技術來克服干擾問題。
2 系統硬件設計
　硬件電路系統包括一個主控制設備和多個從設備，每個從設備控制并監測一臺電器。主控制設備通過USB接口與上位機通信，接收來自上位機的控制指令并解析，然后將其通過無線電傳給相應的從設備，同時等待并接收從設備的反饋信息；相應的從設備接收到控制指令后，做出相應的響應，如改變電器電源通斷狀態或返回電器狀態信息等。
2.1 主控制設備電路
　主控制設備電路由控制電路、USB接口電路和無線電發射/接收模塊組成，其硬件結構如圖2所示。USB接口電路用于與上位機的通信，無線電發射/接收模塊用于與從設備的數據交互，兩者均受控于單片機控制電路。

　單片機控制電路選用ATMEL公司的8 bit微處理器AT89S52作為主控芯片。USB接口電路采用PHILIPS公司接口芯片PDIUSBD12設計實現。
　發射模塊向各個從設備發送控制指令，接收模塊則實時監聽各個從設備返回的電器狀態信息。無線電發射/接收模塊由編解碼芯片PT2262/PT2272及高頻發射/接收模塊F05R和J05U組成，可實現315 MHz或433 MHz頻段的無線電通信。編碼芯片PT2262發出由地址碼、數據碼、同步碼組成的編碼信號，解碼芯片PT2272接收到編碼信號后進行發送端地址碼與接收端地址碼的比較判斷，地址一致則解碼有效，否則無效，其中發送端與接收端的地址碼均由各自的地址引腳電平決定。然而基于PT2262/PT2272的無線傳輸方式頻段少且帶寬窄，當系統中兩個或兩個以上的發射模塊同時工作時容易造成同頻干擾等問題。解決此類問題的方法有跳頻技術、分時技術等[6]。本系統同時采用了這兩種技術。

　（1）采用跳頻技術，即主設備向各個從設備的無線傳送采用433 MHz頻段，而各個從設備向主設備返回數據則用315 MHz。但由于各個從設備的發射頻率均為315 MHz，仍存在同頻干擾的問題。
　（2）采用分時技術，以保證任意時刻最多只有一個無線發射模塊在工作。具體措施為：借鑒USB總線傳輸協議中主機發起傳輸、從機響應主機請求的半雙工傳輸機制，由主設備發出“改變電器狀態”或“返回電器狀態”的指令，相應的從設備收到后做出被動響應，而主從設備的發射模塊只有在需要傳輸數據時才開啟，其余時間均關閉，以避免成為其他發射模塊的干擾源。如此，只要主設備分配好各個發射模塊的工作時間，不令兩個以上的從設備同時返回數據即可避免同頻干擾了。
　為配合分時抗干擾的應用，在主控制設備的硬件電路中，主控芯片AT89S52需對無線電發射模塊進行使能控制，通過一個I/O引腳控制發射模塊的工作電源，以實現只有在需要發射信號時才導通電源，其余時間則斷開。設置連續控制從設備的時間間隔為1 s，這樣就很好地解決了同頻干擾的問題。
2.2 從設備電路
　從設備電路包括電源轉換、繼電器電路、無線發射接收和控制等模塊，其電路如圖3所示。無線電發射接收模塊分別用于返回電器狀態信息和接收主控制設備的控制信號；控制模塊依據無線接收模塊和手動開關的控制信號來控制繼電器電路的通斷狀態，實現對電器的電源控制。

　從設備無線電發射接收模塊的電路設計與主控制設備的類似。PT2262接收主設備的控制信號，并通過D0和D1引腳輸出，其中D0引腳的電平變化表示“改變電器的開關狀態”，D1引腳電平變化則表示“返回電器開關狀態”。此外，無線發射模塊中的F05R電源地引腳受控于控制模塊的發射使能信號，使能信號有效時，才啟動并返回設備的開關狀態。
　本系統電器的三種控制方式有：手動開關控制、本地計算機遙控開關和遠程網絡終端控制開關，后兩種控制方式是上位機應用軟件通過主控制設備向從設備發送無線控制信號來完成的。為實現這三種方式的相互獨立控制，在從設備中，控制模塊采用74LS86組成“異或”電路，如此，則無論輸入端的手動開關控制信號還是無線控制信號發生變化都會導致輸出端信號的變化，從而引起電器電源通斷變化，達到手動控制與軟件控制互不干擾的目的。
　為解決無線電相互干擾的問題，同樣需要對無線電的發射模塊進行使能控制。使能電路實際為由NE556雙時基電路構成的兩個“暫穩態”時間均為1 s的單穩態電路。接收模塊的D1信號及其反信號~D1分別作為兩個單穩態電路的觸發輸入，而它們的輸出則經過相“與”后作為發射模塊的使能信號。如此，只需D1電平的變化即可觸發無線電發射模塊工作1 s。考慮到兩個單穩態電路不會出現同時輸出低電平的情況，為節約資源，采用了74LS86空閑的兩個“異或”門實現相“與”的功能。
從設備控制核心結構簡單，穩定可靠，成本低廉。
3 系統軟件設計
　系統的軟件設計主要包括上位機應用程序和單片機AT89S52固件程序的設計，前者為用戶提供本地客戶端和遠程客戶端的電器監控界面并進行相應的后臺數據處理；后者控制PDIUSBD12響應計算機的請求，實現與計算機的USB通信。此外，還通過無線發射/接收模塊完成對各個從設備的無線監控。
3.1 上位機應用程序

　上位機軟件分為本地客戶端和遠程客戶端兩部分，分別應用于本地計算機和遠程網絡終端平臺，兩者均是通過VC編程實現。
　本地客戶端軟件由用戶控制界面、狀態顯示界面、錯誤警告、網絡接口、數據處理和USB接口等模塊組成，如圖4所示。用戶控制界面模塊用于采集用戶的控制信息，由數據處理模塊打包后通過USB接口模塊傳輸至硬件設備；數據處理模塊同時還接收硬件設備返回的受控電器的狀態信息和錯誤警告信息，并分別提供給狀態顯示界面模塊和錯誤警告模塊；網絡接口模塊則為通過了密碼驗證的遠程客戶端軟件提供數據接口。
用戶控制界面上包含了刷新、開/關和定時等按鈕，分別用于刷新所有受控電器的狀態、實時和定時控制某個電器的開關，當按鈕點擊事件處理函數捕獲到某個按鈕被按下時，即將此控制信息傳送給數據處理模塊。
狀態顯示界面模塊接收電器的狀態信息并顯示在界面上。電器的顯示狀態有兩種更新狀態，一是用戶控制某個電器的開或關時，刷新顯示該電器執行指令后的狀態；二是用戶點擊控制界面上的“刷新”按鈕時，刷新顯示所有受控電器的實時狀態。

　本設計的USB接口硬件屬于人機接口設備HID（Human Interface Device）類別，設備首次接上計算機主機時，Window系統會自動為其安裝驅動程序。上位機的USB接口模塊首先調用Win32 API函數CreateFile（）打開設備，并取得訪問設備驅動程序的句柄，然后通過ReadFile（）及WriteFile（）函數實現與硬件HID設備的數據通信。
　遠程客戶端軟件的設計除了沒有USB接口模塊外，其他的與本地客戶端軟件類似，兩者通過網絡接口模塊實現數據交互。
3.2 單片機固件程序
　固件程序使用Keil C51開發。USB通信信道的建立及數據的交互是在中斷處理程序中實現的，程序通過判斷PC主機請求中斷的類型來作出不同的響應。對從設備的無線監控則是在主程序循環中實現， 其流程圖如圖5所示。主程序初始化完成后便不斷地檢測上位機是否有控制指令下傳，若有，則進行解析。若控制指令為“改變電器狀態”指令，則設置相應的無線發射地址，發送指令，并稍作延遲后再次向該從設備額外發送“返回電器狀態”指令，令其返回指令執行后的電器狀態信息；若為“刷新電器狀態”指令，為避免同頻干擾，主程序并不一起命令所有從設備同時返回狀態信息，而是以輪詢方式，即首先向第一臺從設備發送指令并接收其返回的狀態信息，然后更改發射地址，向第二臺從設備發送指令，如此循環，直到取得所有電器的狀態信息。由于每個從設備接收到刷新指令后都會觸發其發射模塊工作1 s，所以在輪詢過程中，只要主設備在向下一個從設備發送控制指令前延遲1 s，使得連續控制從設備的時間間隔為1 s以上，即可避免多個從設備的發射模塊一起工作的情況，即可解決同頻干擾的問題。

　本文設計并實現了一種電器開關無線監控系統，可實現對電器開關多種方式的靈活控制和實時監視，實現了對電器開關的聯網監控。設計采用USB接口，實現了硬件設備的即插即用，并且靈活地借用了計算機豐富的硬件資源，無需復雜的硬件電路即可實現對家用電器的各種控制。此外，設計采用跳頻和時分技術，解決了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題，提高了傳輸的穩定性，降低了開關從設備的成本。系統的設計及功能均得到了最終的實物驗證。
參考文獻
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