摘  要： 設計一款基于STC89C58RD+單片機的空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)控制終端。介紹了空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)控制終端的基本電路結構，控制終端軟件實現(xiàn)的流程和實驗結果。該設計使離散安裝的空調(受控設備)經(jīng)過電源的細微改進后，納入空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的管理成為可能。
關鍵詞： 單片機；TCP/IP；ZLIP應用；控制終端；設備管理

　在學校等單位，分散安裝空調存在隨意開、通開造成的電能浪費現(xiàn)象，這不僅增加了單位的運作成本，同時還給管理增加了難度。為解決此問題，利用STC89C58RD+作中央處理器、rtl8019as作網(wǎng)卡、TCP/IP為通信協(xié)議，設計一款空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的控制終端設備。便于管理人員通過空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的操作，實現(xiàn)在網(wǎng)絡上對空調(受控設備)的開、關實施控制，也便于通過空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)了解空調(受控設備)的運行狀態(tài)，并隨時加以管理控制。從而達到節(jié)能降耗和節(jié)支增效的經(jīng)濟、高效的IT管理模式，具有理論意義和應用價值。
1 硬件
1.1 終端主機電路
　整個電路分為電源、網(wǎng)絡接口、數(shù)據(jù)處理和控制I/O接口等四部分。電源由一個DC 9 V輸入，分別用78L05和78L06兩個集成穩(wěn)壓器分成+5 V和+6 V的分支電源。+5 V電源為控制終端提供電源；+6 V電源作為光電耦合器的啟動電源，以便在光電耦合器的動作過程中，不影響主機的工作。服務器通過英特網(wǎng)接口與終端交換信息，再由控制終端通過I/O接口控制或獲取空調(受控)設備的即時狀態(tài)。其結構框圖如圖1所示。

1.2 主要元器件  
　線路板主要由網(wǎng)絡變壓器FB2022、高度集成的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS、鎖存器74HC573、靜態(tài)RAM存儲器62256、主控制STC89C58RD+等芯片，RJ45接口和幾組光電耦合器以及一些外圍元器件組成。其中，主控芯片STC89C58RD+內部資源[1]包括：32 KB內部閃存；1 280 B片內RAM數(shù)據(jù)存儲器；工作頻率0~35 MHz(相當于普通8051的0~420 MHz)；有內部看門狗電路，解決了外界影響帶來的“死機”問題；具有4級8個中斷源，提供2個額外的外部中斷機制和4組I/O口等。此外，還有寬電壓，低功耗，與其他8051完全兼容的特點。RTL8019AS為臺灣芯片生產(chǎn)商Realtek公司針對第三代快速以太網(wǎng)連接而設計，它支持多種嵌入式處理器芯片，內置FIFO緩存器用于直接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。RTL8019AS支持以太網(wǎng)II和IEEE802.3；軟件兼容8 bit和16 bit的NE2000。對于沒有很復雜數(shù)據(jù)流處理的本控制終端機來說，低廉的造價也能夠達到較理想的網(wǎng)絡系統(tǒng)管理效果。
1.3 硬件控制實現(xiàn)  
　控制終端與空調間用光電耦合器連接，當控制終端接收到系統(tǒng)“電源開”指令時，相應的光電耦合器閉合，打開空調電源，此時空調處于伺服狀態(tài)，面板上的電源指示燈亮，等待系統(tǒng)或遙控器等發(fā)送“運行”指令。同時，因空調電源指示燈打開而相應的光電耦合器導通，把空調的即時狀態(tài)信息通過控制終端處理后傳給系統(tǒng)。空調進入伺服狀態(tài)后，如果接收到系統(tǒng)或其他方式的“運行”操作指令時，空調就開始運行，面板上的“運行”指示燈亮。同時因面板“運行”指示燈亮而相應的光電耦合器導通，把空調的“運行”狀態(tài)信息通過控制終端處理后傳給系統(tǒng)。當控制終端接收到系統(tǒng)“電源關”的指令時，將關閉空調的運行狀態(tài)，并且切斷空調的電源。此時空調處于完全停止狀態(tài)，遙控及受控設備本身的任何硬件按鈕操作均無效。就這樣，基于TCP/IP協(xié)議的可靠通信連接，控制終端隨時等待著執(zhí)行服務器給它的系統(tǒng)指令，并周期性地把受控設備的即時狀態(tài)信息反饋給服務器。在試驗中，如表1所示為用LED模擬空調設備，由不同IP和端口的兩個終端與同一臺服務器相連得出的實驗結果。當控制終端接收到系統(tǒng)發(fā)來的指令“1”時，空調“總電源”開啟，LED1亮，同時向服務器反饋“電源開”的信息。在“電源開”的狀態(tài)下，控制終端接收到系統(tǒng)指令“2”時，空調“總電源關”，LED1滅；接收到系統(tǒng)指令“3”、“4”時，控制終端和負載相應的動作是“運行、LED2亮”、“停止、LED2滅”。當“總電源關、LED1滅”后，沒有收到系統(tǒng)指令“1”時，其他任何指令對負載的控制無效，終端狀態(tài)燈無顯示，同時反饋給系統(tǒng)的信息為“關閉中”。
1.4 安全控制原理  
　在同一管理系統(tǒng)內，每一個控制終端都固化唯一的物理地址(MAC)、本地IP地址和端口號，除了只與本身固有IP地址的服務器相應端口通信外，不與其他微機發(fā)生關系；終端與終端之間也不會有任何干擾。其他PC主機在權限范圍內可以通過服務器瀏覽或操作系統(tǒng)中各控制終端的設備狀態(tài)。這樣有利于設備運行的安全性和可靠性。如需系統(tǒng)維護，也只需將安裝好空調管理系統(tǒng)的備用服務器的IP地址更改成控制終端對應服務器的IP地址即可。
2 TCP/IP的移植引用
2.1 開源TCP/IP的選擇
　從來自不同出處的資料顯示，移植TCP/IP到8 bit低端處理器上，如uIP等不同版本TCP/IP棧的移植已有很多成功的案例。本控制終端的網(wǎng)絡接口實現(xiàn)，是成功地移植引用了ZLIP版的TCP/IP協(xié)議棧[2]，其顯著特點是：
　(1)有適中的代碼量和RAM使用量。使用22.118 4 MHz晶振、KeilC編譯器、STC89C58RD+單片機下測試的技術參數(shù)如表2所示。
　(2)與BSD套接字基本相同，接口簡單，使用方便。
　(3)支持ping命令的響應。     
　(4)本身為單片機設計。所有的外部變量都使用了 xdata類型，全部指針都為明確存儲類型的指針，需要重入的函數(shù)已經(jīng)聲明為reentrant，減少了重入函數(shù)在內存中的滯留。
2.2 網(wǎng)絡通信的實現(xiàn)
　(1)ZLIP棧符合BSD標準，定義一個套接字類型的全局變量“ExConn”，創(chuàng)建套接字。即：
ExConn = TCPSocket(IPAddr)；
　(2)寫函數(shù)void OnAcceptRecv(void DT_XDATA* buf，WORD size)REENTRANT_MUL作為連接函數(shù)的參數(shù)，以便數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行印?br /> 　(3)通過調用函數(shù)TCPConnect(ExConn，0xc0a80002， 55000，OnAcceptRecv，OnClose)主動與IP“192.168.0.2(IP地址的十六進制表示為0xc0a80002)”相匹配的服務器進行連接。獲得服務器分配相應的“55000”端口進行套接，實現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)和關閉連接的接口，從此進行正常通信。
　(4)主動與服務器進行連接，提高系統(tǒng)管理的可靠性和安全性。如遇服務器故障或關閉，終端會周期性發(fā)出ARP廣播，直到重新正常連接。
3 軟件的實現(xiàn)
3.1 網(wǎng)卡驅動的引用及更改
3.1.1 網(wǎng)卡驅動基地址的更改
　因為硬件的線路板設計有差別，將ZLIP里的RTL8019.H的基地址宏定義0xb000改成0x8000(#define RTL_BASE_ADDRESS  0x8000)。
3.1.2  網(wǎng)卡復位啟動
　添加函數(shù)：
void rtl8019as_rst()
{
        unsigned int idata i；
        reset8019=1；
        for(i=0；i<250；i++)； reset8019=0；
        for(i=0；i<250；i++)；
}
 終端上電時，采用冷啟動復位，便于終端即時初始化網(wǎng)卡。
3.1.3 控制終端主程序  
　終端上電，初始化各模塊后，通過創(chuàng)建的套接字主動去與服務器對接，然后向服務器發(fā)送準備就緒的信號，周期性地檢測與服務器連接的情況，靜靜地等待服務器的指令和觀察受控設備的狀態(tài)。一旦情況有變，就立即執(zhí)行相應的動作。終端工作流程圖如圖2所示。

3.2 控制管理的實現(xiàn)
3.2.1 管理設備電源
　受控設備的電源只有一種開通方式：即系統(tǒng)管理員通過服務器的“電源開”指令操作。其他任何形式和個人(專業(yè)維修人員除外)在沒有授權的前題下操作均無效。
3.2.2 受控設備的狀態(tài)管理  
　系統(tǒng)管理員可隨時從空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)中了解到設備的開啟運行狀況，對有異常的設備及時向工程維修中心發(fā)送維修申請，然后由維修中心解決出現(xiàn)的異常。其他人員可以通過系統(tǒng)平臺瀏覽設備運行狀況，遞交設備使用時段申請文件，請求系統(tǒng)管理員給予使用時效權?？照{(受控設備)電源一旦開通，就給使用者充分的使用權限，讓其自由使用。這樣，既給使用者充分的自由，又給管理帶來了方便，就基本上杜絕了隨開、亂開、通開的電能浪費的現(xiàn)象。從而提高了設備的利用率和完好率，令其運行于經(jīng)濟、高效的網(wǎng)絡系統(tǒng)管理模式下。
　單片機的應用有利于產(chǎn)品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高勞動效率，減輕勞動強度，改善勞動環(huán)境，減少能源和材料消耗，保證安全等。本控制終端是作為單一的客戶端設計，把系統(tǒng)管理中大量數(shù)據(jù)處理及存儲的工作交給服務器去做。這樣大大節(jié)省了控制終端的資源，降低了負荷，讓控制終端專注于處理服務器發(fā)來的指令并按要求對空調加以控制。同時，把受控設備的運行狀態(tài)及時傳送給服務器，讓系統(tǒng)管理員隨時掌控系統(tǒng)中各空調的運行狀態(tài)。基于程序結構簡單、硬件結構合理、造價低廉且安裝方便的空調網(wǎng)絡管理系統(tǒng)控制終端，僅對空調小作改進，即可輕松把已有的設備納入統(tǒng)一、高效的智能化管理，讓“物盡其用、物盡其能、物有所值”。
參考文獻
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