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物联网单片机嵌入式控制器

专家
2013-01-23 11:34:12    评分

作者:南昌航空大学科技学院 赵象武 蔡勇贵 黄舒欣
指导教师:胡景春 万卫强

  作品简介

  嵌入式控制技术在物联网中的应用已经成为一种新的应用发展的趋势,远程监控也逐渐向网络监控领域延伸。本课题以物联网实现的监控为目标,改变传统的远程监控模式,以嵌入式技术为基础,研究了一种基于GSM/GPRS和嵌入式Internet技术的远程监控系统,采用STC15F2K61S2单片机,通过远程有线、无线等多种通信接口,实现一个“物联网单片机嵌入式控制器”的设计。完成的设计作品见图1。  

 

  作品由硬件、单片机固件和应用软件软件(手机和微机软件)组成,硬件结构见图2。作品实现了以下功能:  

 

  (1) 无线通信功能。控制器可以通过GSM/GPRS网络与手机
  和GPRS网络进行数据、命令的传输,用手机或微机飞信软件发送SMS短消息,实现无线远程监控。
  (2) 嵌入式Internet控制终端功能。采用简化的TCP/IP协议,能够连接互联网,实现有线远程监控。
  (3) 本地控制功能。控制器具有液晶显示器、声光报警装置、4个控制按键和4路继电器,继电器用来连接受控的电器设备,使得控制器既可以接受远程的控制命令,又可以接受本地的控制命令。
  (4) 局部网络构建功能。控制器扩展了RS232、RS485、以及并行接口,利用这些接口能够和微机以及具有同样接口的设备、控制器进行连接通信,实现数据下载、STC系列单片机编程、多机通信、子模块挂接等功能。
  (5) 可以进行STC15F2K61S2单片机应用系统的学习和实验。如:无线通信实验、嵌入式Internet控制实验、液晶显示控制实验、单片机编程实验、RS232异步串行通信实验、RS485组网实验、键盘处理实验、定时控制实验等20多个实验。

  平台选型说明

  STC15系列开发板:系统仿真、开发、调试;
  Keil uVision4:系统单片机软件集成开发环境
  Keil c51:单片机固件编写语言。

  设计说明

  1、系统设计方案
  系统设备及其通信网络连接示意图如图3所示。图中虚线表示无线通信,实线表示有线通信。一方面:智能手机连接GSM/GPRS网络后,可通过无线网络发送SMS短消息与本控制器通信,也可以以GPRS通信方式实现与连接到Internet网络的本控制器通信,实现远程无线控制; 另一方面:PC机连接到Internet网络或者在局域网内通过有线方式与本控制器通信,控制器接收PC机信号并进行解析,进而对本地的模块进行相应的控制。

  

 

  2、各模块的电路原理图及说明
  由图2可见,控制器由单片机控制模块、无线网控制模块、互联网连接模块、人机交互模块、电器继电器控制模块、本地通信连接模块组成。
  1)单片机主控模块
  微控制器选用STC系列单片机,为了使控制器能适用于多种型号的单片机控制,单片机芯片插座采用40脚DIP,通过插入不同的转接板可以在控制器上安装STC89系列、STC12系列、STC15系列等多钟单片机。本次竞赛作品采用STC15F2K61S2单片机,实现了设计目标。
  为了较好满足不同单片机对存储器的需求,扩展了SRAM 62256。
  2) 无线通信模块
  无线通信模块电路原理如图4所示。  

 

  模块选用WAVECOM公司生产的WISMO228。WISMO228是基于GSM/GPRS的工业级无线通讯模块,具有体积小、易用性强、内嵌TCP/IP协议栈,其GSM方式工作频段为850/900/1800/1900MHz,支持CSD、SMS、 FAX,GPRS工作等级为CLASS10,并且顺从3GPP标准。WISMO228有46引脚,在本控制器使用的引脚及其功能见表1。
  电路中,模块的TXD、RXD分别与单片机的TXD、RXD引脚相连,ON/OFF引脚信号由单片机P01脚控制,RST接复位键。模块上电后,给模块的ON/OFF引脚送不小于685ms的低电平既可启动模块。模块启动时,若WISMO_READY引脚为低电平则状态指示灯LED3首先被点亮,表示模块启动成功。接着模块检测SIM卡是否存在,若SIM卡存在,SIM卡电源指示灯LED1被点亮,接着模块会通过串口输出来自SIM卡的通知,一般为:“*PSSTK:”PROCESSING”,1”和“*PSSTK:”END SESSION””,表示SIM卡处理完成,此时,由于模块串口有数据输出,连接在TX_CTRL引脚上的发送指示灯闪烁。  

 

  WISMO228的天线连接一般要求阻抗值为50Ω并将发射线路周围和天线外壳接地以保证模块的信号质量和强度。
  模块通过串口进行数据的通信,其通信速率最快可达115200b/s,模块与单片机间的通信协议为AT命令。
  3)互联网连接模块
  该模块电路图如图5所示。以太网控制器选择RTL8019AS,它是高度集成的全双工以太网接口芯片。
  集成的全双工以太网接口芯片。它符合EthernetII与IEEE802.3标准,数据收发可同时达到10Mbps;其内置16KB SRAM用于收发缓冲区;它支持8/16位数据总线、8条中断申请线以及16个I/O基地址选择;它能够完成物理帧的形成、编解码、CRC的形成和校验、数据的收发等功能。此外,8019AS内部带有10M/100Mbps的以太网物理层接口PHY,通过连接到RJ45接口实现以太网连接。8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC(介质访问控制)逻辑、数据编解码逻辑及其他接口。远程DMA接口是指外部微控制器对8019AS内部SRAM进行读写的总线,微控制器的数据收发只需对远程DMA操作即可。本地DMA接口是8019AS与网线的连接通道,它主要完成微控制器与网络的数据通信。
  单片机的数据线与62256和RTL8019AS的数据线直接相连;RTL8019AS地址线的连接由如下方法确定:网络控制器基址设置为0x300,地址空间范围从0x300到0x31F,20位地址线中SA0-SA4与地址锁存器74LS373的Q0-Q4连接,SA10-SA19接地,SA8和SA9与单片机P2.7连接,单片机通过P2.7引脚信号决定访问的是62256还是RTL8019AS。单片机通过设置或访问RTL8019AS内部寄存器实现对有线网络通信的控制。  

 

  4)人机交互模块
  包括键盘、LCD显示器、LED指示灯电路。4个按键分别连接到单片机P1.4-P1.7脚,可以为这些按键定义不同的功能;LCD采用NOKIA5110点阵式(48×84)液晶显示器,其连接电路如图6所示。

   

  5)继电器控制电路
  继电器控制电路如图7所示,图中只画出1路继电器控制电路,控制器共有4路相同的继电器控制电路,由单片机控制锁存器373锁存信号的不同输出引脚控制。  

 

  6)本地通信连接模块
  本模块扩展了RS232、RS485、以及1个26芯插座的并行接口,以便控制器和本地其它设备或控制器进行连接和通信。三极管的集电极通过跳线,可以连接继电器线包驱动电器设备,也可以连接到LED,进行控制程序的调试。

  作品特色

  本控制器以物联网应用为目标,设计了的网络嵌入式控制器作为一种物联网终端控制器,符合国内外对物联网末端应用的研究方向之一,控制器的使用可以很方便的被个人掌握,可以随时随地连入互联网进行远程控制。对物联网未来的发展和应用具有实际的意义和价值。
  控制器采用廉价的单片机和一些通用的器件设计而成,能实现远程无线控制、互联网远程控制、本地构网控制、扩展接口、以及控制器自带下载编程等功能,能够较好实现多种网络融合的控制,能够适合于不同形式的网络控制要求。且由于“物美价廉”,也能够适合家庭和个人对远程控制的需求,具有较好的实用性。
  该控制器的创新点主要在于设计实现了无线网、互联网 、本地连接等多种网络融合技术,使得网络具有多种接口的灵活组合,可以很方便的构成远程-本地结合的控制网络;在远程控制方面,采用手机Android系统进行远程控制程序设计,能更好的满足人们对远程控制方法的要求。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2571




关键词: 联网     单片机     嵌入式     控制器     控制     实现     通信         

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