摘  要： 設(shè)計了一種電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對多臺電器電源的手動開關(guān)、本地計算機遙控開關(guān)、遠程網(wǎng)絡(luò)終端控制開關(guān)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(wǎng)絡(luò)終端中提供了顯示受控電器的電源通斷狀態(tài)。系統(tǒng)硬件通過USB接口實現(xiàn)與上位機的通信，通過無線電實現(xiàn)對電器的監(jiān)控，并采用了跳頻和時分技術(shù)，克服了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題。
關(guān)鍵詞： 無線監(jiān)控；USB接口；同頻干擾；電器開關(guān)

　隨著社會經(jīng)濟水平的發(fā)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(shù)在智能家居產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，而融合了計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的家居控制系統(tǒng)更給人們的生活帶來了全新的體驗?，F(xiàn)有的家居電器控制系統(tǒng)可通過電話線、GSM網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)等方式實現(xiàn)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(guān)狀態(tài)的監(jiān)視，遠程用戶實際上是處于　一種盲操作狀態(tài)：既不知當(dāng)前電器開關(guān)狀態(tài)，也不知操作后電器的執(zhí)行情況。
本文所述的電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對電器開關(guān)多種方式的控制，而且也同時實現(xiàn)了對電器開關(guān)多種方式的監(jiān)視，實現(xiàn)了真正意義上的監(jiān)控。具體包括如下幾種方式：
?。?）手動開關(guān)監(jiān)控。和人們的日常習(xí)慣相同，通過手動控制開關(guān)，同時通過開關(guān)指示燈提示開關(guān)的狀態(tài)。
　（2）遙控開關(guān)監(jiān)控。利用本地計算機集中控制開關(guān)，并能在計算機界面實時顯示各個開關(guān)的狀態(tài)，方便辦公室或家居用戶對所有電器的集中監(jiān)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(guān)掉不必要的電器，以節(jié)約能源并減少安全隱患。
　（3）遠程網(wǎng)絡(luò)開關(guān)監(jiān)控。通過計算機網(wǎng)絡(luò)，在遠程終端中實現(xiàn)對開關(guān)的控制，并能夠顯示開關(guān)的通斷狀態(tài)，方便遠程控制端的用戶對電器進行實時監(jiān)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(guān)掉不必要的電器，以節(jié)約能源并減少安全隱患。
系統(tǒng)采用USB作為硬件設(shè)備與上位機的通信接口，既可實現(xiàn)硬件設(shè)備的即插即用，又為設(shè)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(xiàn)對電器多種方式的靈活控制。此外，系統(tǒng)采用跳頻和時分技術(shù)，解決了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1 系統(tǒng)設(shè)計
　系統(tǒng)采用了本地計算機、遠程網(wǎng)絡(luò)終端、主控制設(shè)備及從設(shè)備的框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本地計算機和遠程網(wǎng)絡(luò)終端的上位機應(yīng)用程序負責(zé)響應(yīng)用戶的控制指令并傳給主控制設(shè)備，由后者控制相應(yīng)的從設(shè)備做出響應(yīng)；從設(shè)備除控制電器電源開關(guān)外還負責(zé)采集其狀態(tài)信息，以供主控設(shè)備返回給上位機。

　主控制設(shè)備與多個從設(shè)備間采用無線雙向傳輸方式，以避免設(shè)備安裝時布線的麻煩。常用的無線傳輸方式有藍牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)和基于nRF24L01射頻收發(fā)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?shù)萚3-5]?？紤]到系統(tǒng)中每個受控電器均需一個從設(shè)備來單獨控制，因此從設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單及成本低廉顯得尤為重要，故本設(shè)計采用基于PT2262/PT2272的無線傳輸方式，并采用跳頻技術(shù)和分時技術(shù)來克服干擾問題。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　硬件電路系統(tǒng)包括一個主控制設(shè)備和多個從設(shè)備，每個從設(shè)備控制并監(jiān)測一臺電器。主控制設(shè)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(yīng)的從設(shè)備，同時等待并接收從設(shè)備的反饋信息；相應(yīng)的從設(shè)備接收到控制指令后，做出相應(yīng)的響應(yīng)，如改變電器電源通斷狀態(tài)或返回電器狀態(tài)信息等。
2.1 主控制設(shè)備電路
　主控制設(shè)備電路由控制電路、USB接口電路和無線電發(fā)射/接收模塊組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。USB接口電路用于與上位機的通信，無線電發(fā)射/接收模塊用于與從設(shè)備的數(shù)據(jù)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(shè)計實現(xiàn)。
　發(fā)射模塊向各個從設(shè)備發(fā)送控制指令，接收模塊則實時監(jiān)聽各個從設(shè)備返回的電器狀態(tài)信息。無線電發(fā)射/接收模塊由編解碼芯片PT2262/PT2272及高頻發(fā)射/接收模塊F05R和J05U組成，可實現(xiàn)315 MHz或433 MHz頻段的無線電通信。編碼芯片PT2262發(fā)出由地址碼、數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)送端與接收端的地址碼均由各自的地址引腳電平?jīng)Q定。然而基于PT2262/PT2272的無線傳輸方式頻段少且?guī)捳?dāng)系統(tǒng)中兩個或兩個以上的發(fā)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(shù)、分時技術(shù)等[6]。本系統(tǒng)同時采用了這兩種技術(shù)。

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

　從設(shè)備無線電發(fā)射接收模塊的電路設(shè)計與主控制設(shè)備的類似。PT2262接收主設(shè)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(guān)狀態(tài)”，D1引腳電平變化則表示“返回電器開關(guān)狀態(tài)”。此外，無線發(fā)射模塊中的F05R電源地引腳受控于控制模塊的發(fā)射使能信號，使能信號有效時，才啟動并返回設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。
　本系統(tǒng)電器的三種控制方式有：手動開關(guān)控制、本地計算機遙控開關(guān)和遠程網(wǎng)絡(luò)終端控制開關(guān)，后兩種控制方式是上位機應(yīng)用軟件通過主控制設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送無線控制信號來完成的。為實現(xiàn)這三種方式的相互獨立控制，在從設(shè)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(guān)控制信號還是無線控制信號發(fā)生變化都會導(dǎo)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(fā)射模塊進行使能控制。使能電路實際為由NE556雙時基電路構(gòu)成的兩個“暫穩(wěn)態(tài)”時間均為1 s的單穩(wěn)態(tài)電路。接收模塊的D1信號及其反信號~D1分別作為兩個單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)輸入，而它們的輸出則經(jīng)過相“與”后作為發(fā)射模塊的使能信號。如此，只需D1電平的變化即可觸發(fā)無線電發(fā)射模塊工作1 s?？紤]到兩個單穩(wěn)態(tài)電路不會出現(xiàn)同時輸出低電平的情況，為節(jié)約資源，采用了74LS86空閑的兩個“異或”門實現(xiàn)相“與”的功能。
從設(shè)備控制核心結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，成本低廉。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括上位機應(yīng)用程序和單片機AT89S52固件程序的設(shè)計，前者為用戶提供本地客戶端和遠程客戶端的電器監(jiān)控界面并進行相應(yīng)的后臺數(shù)據(jù)處理；后者控制PDIUSBD12響應(yīng)計算機的請求，實現(xiàn)與計算機的USB通信。此外，還通過無線發(fā)射/接收模塊完成對各個從設(shè)備的無線監(jiān)控。
3.1 上位機應(yīng)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(yīng)用于本地計算機和遠程網(wǎng)絡(luò)終端平臺，兩者均是通過VC編程實現(xiàn)。
　本地客戶端軟件由用戶控制界面、狀態(tài)顯示界面、錯誤警告、網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊打包后通過USB接口模塊傳輸至硬件設(shè)備；數(shù)據(jù)處理模塊同時還接收硬件設(shè)備返回的受控電器的狀態(tài)信息和錯誤警告信息，并分別提供給狀態(tài)顯示界面模塊和錯誤警告模塊；網(wǎng)絡(luò)接口模塊則為通過了密碼驗證的遠程客戶端軟件提供數(shù)據(jù)接口。
用戶控制界面上包含了刷新、開/關(guān)和定時等按鈕，分別用于刷新所有受控電器的狀態(tài)、實時和定時控制某個電器的開關(guān)，當(dāng)按鈕點擊事件處理函數(shù)捕獲到某個按鈕被按下時，即將此控制信息傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。
狀態(tài)顯示界面模塊接收電器的狀態(tài)信息并顯示在界面上。電器的顯示狀態(tài)有兩種更新狀態(tài)，一是用戶控制某個電器的開或關(guān)時，刷新顯示該電器執(zhí)行指令后的狀態(tài)；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(tài)。

　本設(shè)計的USB接口硬件屬于人機接口設(shè)備HID（Human Interface Device）類別，設(shè)備首次接上計算機主機時，Window系統(tǒng)會自動為其安裝驅(qū)動程序。上位機的USB接口模塊首先調(diào)用Win32 API函數(shù)CreateFile（）打開設(shè)備，并取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄，然后通過ReadFile（）及WriteFile（）函數(shù)實現(xiàn)與硬件HID設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。
　遠程客戶端軟件的設(shè)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(wǎng)絡(luò)接口模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
3.2 單片機固件程序
　固件程序使用Keil C51開發(fā)。USB通信信道的建立及數(shù)據(jù)的交互是在中斷處理程序中實現(xiàn)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(yīng)。對從設(shè)備的無線監(jiān)控則是在主程序循環(huán)中實現(xiàn)， 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(tài)”指令，則設(shè)置相應(yīng)的無線發(fā)射地址，發(fā)送指令，并稍作延遲后再次向該從設(shè)備額外發(fā)送“返回電器狀態(tài)”指令，令其返回指令執(zhí)行后的電器狀態(tài)信息；若為“刷新電器狀態(tài)”指令，為避免同頻干擾，主程序并不一起命令所有從設(shè)備同時返回狀態(tài)信息，而是以輪詢方式，即首先向第一臺從設(shè)備發(fā)送指令并接收其返回的狀態(tài)信息，然后更改發(fā)射地址，向第二臺從設(shè)備發(fā)送指令，如此循環(huán)，直到取得所有電器的狀態(tài)信息。由于每個從設(shè)備接收到刷新指令后都會觸發(fā)其發(fā)射模塊工作1 s，所以在輪詢過程中，只要主設(shè)備在向下一個從設(shè)備發(fā)送控制指令前延遲1 s，使得連續(xù)控制從設(shè)備的時間間隔為1 s以上，即可避免多個從設(shè)備的發(fā)射模塊一起工作的情況，即可解決同頻干擾的問題。

　本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種電器開關(guān)無線監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)對電器開關(guān)多種方式的靈活控制和實時監(jiān)視，實現(xiàn)了對電器開關(guān)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。設(shè)計采用USB接口，實現(xiàn)了硬件設(shè)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(fù)雜的硬件電路即可實現(xiàn)對家用電器的各種控制。此外，設(shè)計采用跳頻和時分技術(shù)，解決了無線傳輸過程中的同頻干擾等問題，提高了傳輸?shù)姆€(wěn)定性，降低了開關(guān)從設(shè)備的成本。系統(tǒng)的設(shè)計及功能均得到了最終的實物驗證。
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