基于GSM短消息控制的智能照明节电系统设计

摘 要：随着我国经济的发展，全国的照明用电也日益增大，但照明用电以低效照明为主，极大地浪费了电资源，因此给现有照明系统加配节电控制系统是当务之急。为满足照明设备节电需求设计了基于GSM短消息控制的智能照明节电系统。该系统所实现的功能是利用微处理器对电网电压进行检测并处理分析，通过GSM网络将电网参数以短消息上报监控中心，由监控中心调控施加在照明设备上的电压，实现降压节能的目的。重点论述了智能照明节电系统如何借助GSM模块，将电网参数、运行状态等编辑成短消息，利用串口通讯实现与微处理器之间的短消息收发，解析收到的内容并进行相应操作，达到控制系统工作状态的目的。
关键词：GSM；短消息；智能照明；节电系统

l 引 言
    目前我国城镇、高速公路的照明工程不断增加，照明电能消费急剧上升，虽然我国灯具采用了新型光源，发光效率较高，但是现有的照明系统比较陈旧，总的能源使用效率依旧比较低，因此设计智能照明节电控制装置是当务之急。本文设汁的照明节电控制装置采用微处理器控制系统，实时采集输入电压信号，通过计算进行自动调节．从而保证输出较理想的照明系统工作电压。该节电系统可实现智能照明调控、有效保护电光源、降低电能消耗的功能。
    照明节电控制装置中控制系统和监控中心的通信由GSM模块利用GSM网络实现无线数据传输和系统远程监控。GSM网络具有盲区少、信号好、全国联网漫游的特点，特别是GSM的短信息服务，灵活方便，可以自动漫游传送，而且发送按条计费，低廉可靠。

2 智能照明节电系统工作原理
    城市的路灯大多采用气体放电灯具，而气体放电灯的物理特性就是启动时的正常工作电压加上启动器产生高压而使气体放电点亮灯具，灯具点亮之后适当降低并稳定供电电压，但不影响灯具的照明。
    本文设计的节电控制器便是利用降压节电原理，在照明设备加电启动阶段，以电网电压直接输出，等灯具运行稳定后将电网电压依次降到200 V，190 V低电压输出。
    节电控制器的工作过程：节电器开始工作后，首先以电网电压在预设的启动稳定时间段内运行；启动稳定时间过后，节电器的输出电压下降至200 V，并保持这一电压稳定运行；再经过一段固定时间后，节电器的输出电压下降至190 V，并一直保持这一电压稳定运行。节电器的这三种工作状态被称为直通、节电一和节电二。当节电器工作状态设置改变或节电控制信号断开，输出电压将改变为新的节电水平或恢复为电网电压直接输出。

3 系统硬件设计
    照明节电装置是实现照明用电自动控制的重要终端设备，通常安装在照明用电进线端，经过节电系统将电压施加在照明设备上。本文的智能节电装置的设计要求就是：能够适应电网供电电压各个时间段差异比较大的现状，可以分时段控制输出电压；节电系统工作性能稳定可靠，如果出现意外情况，能够直接从电网输出电压。
    智能照明节电系统的硬件总体由处理器、数据采集与转换电路、GSM模块、温度测量装置和降压执行装置等组成。
    本系统设计的核心思想就是由89C52单片机作为处理器，完成检测照明回路的电压、电流值以及现场显示，通过GSM模块将检测结果上报监控中心，并根据程序预先设定、或者键盘输入或者监控中心设定对采集的数据实时处理，控制执行电路对电网的输出电压实时调控。系统设计的总体框图如图1所示。

    整个硬件的设计需要考虑两个问题：
    市电照明网络电压、电流的采集与转换电路 智能照节电系统要根据电网的电压和电流的变化做出相应的断和处理，所以电压和电流的采集必不可少。电压采样通过变压器采集电网电压，电流采样选用电流互感器作为电流检测元件。采样到的电压、电流经整流、转换、滤波后输出到模数转换器ADC0809作为他的两路输入信号，ADC0809的转换结束信号线EOC接至单片机的INTl，每次转换结束后向单片机发送中断请求，在中断服务程序中读出电压、电流采样值。
    GSM模块的选择 该系统的GSM模块选择西门子公司生产的MC35i模块，他是专为GSM／GPRS通信设计的专用双模块，工作于EGSM900和GSMl800频段，在3．5～4．8 V范围均能正常工作，AT指令直接控制。单片机与GSM模块通信通过串口发送AT命令完成。MC35i模块与单片机的接口电路如图2所示。

    注意单片机与MC35i串口不能直接相连，因为89C52管脚为5 V标准TTL电平，而MC35i电平较低，为3 V左右。为解决电平接口不一致的问题，同时避免板间干扰、提高系统通信的灵活性和可扩展性，节电系统中在单片机和GSM模块之间加了一个MAX232电平转换电路。
    下面重点论述控制系统中微处理器与GSM之间如何实现短消息收发。

4 短消息分析与实现
    为实现软件控制短信息的编辑和收发，我们有必要先分析一下短消息的格式，然后再确定如何通过AT命令实现短消息的收发。
4．1 短消息分析
    短消息的发送和接收控制共有三种模式：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。其中只存PDU模式可以用于中英文短消息传送，但因为有编码、解码过程，所以较Text模式复杂。由于PDU模式有很好的数据信息存储格式，并对中文有很好的支持．PDU模式在GSM移动设备中使用最为普遍，现在各大网络公司都采用PDU模式来进行短消息的处理。
    根据GSM07．05的定义，只要终端通过UART接口向GSM模块发送AT命令，就可以直接读取收到的PDU模式的短消息。PDU模式的数据表面上看是一串ASCII码，由‘O’～‘9’，‘A’～‘F’这些数字和字母组成，他们是8位字节的十六进制数。PDU数据不仅包含可显示的消息本身，还以固定格式包含很多其他消息，如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。
    目前国内汉字显示采用GB一2313编码，而GSM标准中中文编码采用UTF一8编码，因此处理短消息时需要进行中文编码的转换，才能与采用GB一2313汉字库相配合显示汉字字型。
    由于UTF一8编码和GB一2313汉字库之间不存在一一对应的线性关系，因此嵌入式系统中只能采用查表的方式进行转换。下面给出一个由UTF一8编码到GB一2313编码转换的算法。
    首先在存储区建立UTF一8和GB一2313两个编码表，然后进行软件解码。每次从PDU模式的短消息数据串的用户数据段取出两个字节，采用二分法快速数据查找算法，在UTF一8编码表中找到编码所对应的位置，然后在GB一2313编码表对应位置上读出短信内容相对应的GB一2313编码。相应的软件流程如图3所示。二分法的最坏查找次数为lg2(n+1)，UTF一8表的长度n为7 445，所以最坏情况查找次数为13次，即一个中文编码由UTF一8到GB一2313的转换最多经过13次比较查找就可完成。这比采用简单的顺序查表快地多，大大减少了查表所花费的时间，非常适合在一般的嵌入式系统中使用。

4．2 使用AT命令实现短消息收发
4．2．1 AT命令
    AT命令是贺氏公司推出的一套Modem操作命令集，是Modem通信接口的工业标准，他的功能包括配置Modem与软件共同工作、与远程系统通信、发起或应答一个呼叫等。AT命令以AT开头，回车键结尾，前缀AT用于通知Modem注意检测计算机串口发送信号。现在市场上提供的可二次开发的GSM模块都支持GSM07．05所定义的AT命令集的指令。通过UART串行接口直接向GSM模块下发AT命令，就可以方便简洁地实现GSM短信息的收发、查询和管理。
4．2．2 使用AT命令发送短消息
    对GSM模块的操作均采用AT指令，指令内容均为ASCII码。例如要发送字符“Hello!”到手机13579830162中，可采用PDU模式发送。
    发送AT+CMGF=0：选择短消息格式为PDU模式；
    发送AT+CSMS=O：检测模块是否支持SMS命令；
    发送AT+CMGS=20：发送信息有20个字节，不含短信中心信息长度；
    发送08 91 683108200905F0 11 00 OD 9l683135121053F7 OO 00 01 06 C8329BFDOE01
    其内容含义是：SMSC信息长度为8个字节，为国际格式，号码8613800290500；被叫号码长13位，国际格式，是8613532101357；普通GSM类型，点到点方式；7位编码；信息保留10分钟；信息长度为6个字符；信息为“Hello!”。
4．2．3 使用AT命令接收短消息
    由于短消息在传输过程中有时延，所以短消息的到达时间是不确定的。因此必须设定短消息到达提示命令，并定时检测，这些可以通过AT命令在GSM模块启动后设置。
    设定短消息到达后自动提示的AT命令为AT+CNMI=3，1，O，O，O。当短消息到达时会收到+CMTI：“SM”，index的提示消息，其中+CMTI为提示信息的帧头，“SM”，表示短消息的存储序号，可以根据序号到给定的存储区将短消息读出来。

5 短消息收发的通信软件设计
    节电系统中单片机通过串口和GSM模块连接，通信软件主要是完成单片机和GSM模块之间的数据传输。串口连接采用定时器T1产生9 600波特率，定时器工作方式选择为自动重载方式，通信字节格式设置为8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。
    本系统中，除了状态改变主动发送短消息之外，都是由控制方发出请求开始，系统根据收到的不同信息内容分别调用相应的命令服务程序，对命令做出响应。在节电系统主程序启动时，调用一个通信启动程序，初始化GSM模块并为收发短消息做设置。其流程图如图4所示。

    系统正常运行时，每次工作状态改变后都向控制方手机发送一次工作状态和当时参变量。程序中每次修改工作状态后都会触发一个短消息发送标志，主程序读到该标志就调用一次短消息发送程序，发送工作状态代码和参变量，发送完后清除短消息发送标志，返回主程序。发送短消息流程图如图5所示。

6  结语

    本文在分析我国电网供电现状和照明设备特点的基础上，设计了智能照明节电系统。该节电系统适合我国道路照明电压波动大、对照明设备有损害的情况，同样也适合商场、宾馆、写字楼等场合照明。该系统不仅可以起到节电的作用，还延长了灯具使用的寿命，减少了人工维护方面的投入，所以市场应用前景较好。