葉宗海+莊坤森+陳愷

摘要：計(jì)算機(jī)機(jī)房是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要場(chǎng)所，針對(duì)設(shè)備多、高耗能、設(shè)備不能單獨(dú)控制及使用壽命減短等問題，結(jié)合自身多年的機(jī)房管理經(jīng)驗(yàn)，提出了采用單片機(jī)與無線技術(shù)的電源控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主機(jī)端和從機(jī)端兩部分組成，實(shí)現(xiàn)了一至多臺(tái)電腦電源的精準(zhǔn)開關(guān)控制與管理，達(dá)到了方便管理、降低耗能與延長(zhǎng)設(shè)備壽命等目的。

關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；無線控制；電源開關(guān)；主機(jī)；從機(jī)

中圖分類號(hào)：TP368.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）15-0255-03

Abstract： Computer Lab is an important place for experimental teaching in Colleges and universities， for equipment， high energy consumption， equipment can not separate control and use of short service life of the problems， combined with years of management experience in the lab， the microcontroller and wireless power control system is presented. The system is composed of two parts， the host and the slave machine， which can achieve the precision control and management of the computer power supply， which can achieve the convenience of management， reduce the energy consumption and prolong the life of the equipment.

Key words： MCU； wireless control； power switch； host machine； slave machine

1 引言

作為計(jì)算機(jī)專業(yè)及其他各專業(yè)進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及學(xué)生自學(xué)的場(chǎng)所，計(jì)算機(jī)機(jī)房起著特殊且重要的作用[1]。其主要特點(diǎn)是電腦設(shè)備多、高使用率和高耗能，這給管理員帶來了巨大壓力。如何提高管理效率、降低電能消耗和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命就顯得尤為重要。一般的機(jī)房電源控制采用有線控制方式，通過空氣開關(guān)對(duì)電腦設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一開關(guān)控制，部分電腦設(shè)備不使用也處于通電狀態(tài)，存在待機(jī)消耗、布線繁瑣且不能精確開關(guān)設(shè)備電源等問題?；谝陨犀F(xiàn)狀，提出了采用單片機(jī)技術(shù)的無線控制系統(tǒng)解決方案。

2 系統(tǒng)框架與功能要求

該系統(tǒng)由主機(jī)端和從機(jī)端兩部分組成。主機(jī)端包括上位機(jī)（PC機(jī)）和一塊主機(jī)板；從機(jī)端由一至N個(gè)從機(jī)板組成，主機(jī)端與從機(jī)端通信采用無線方式，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。工作時(shí)，主機(jī)端在上位機(jī)或者板上鍵盤輸入操作，主機(jī)無線收發(fā)模塊將指令發(fā)送出去；從機(jī)端接收到后，分析判斷并通過控制模塊執(zhí)行電源開關(guān)動(dòng)作；查詢PC機(jī)狀態(tài)信息時(shí)，主機(jī)端發(fā)送查詢指令，從機(jī)端接收后將相關(guān)狀態(tài)信息反饋發(fā)送回主機(jī)端分析處理，并將結(jié)果進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)功能要求：

（1）可控制1至N臺(tái)PC機(jī)電源的開關(guān)，最多數(shù)量為255臺(tái)；

（2）通過拔碼開關(guān)，根據(jù)需要進(jìn)行從機(jī)編號(hào)，范圍1～255，編號(hào)不要求連續(xù)性；

（3）系統(tǒng)可以通過上位機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，也可以主機(jī)端單獨(dú)輸入操作；

（4）可查詢當(dāng)前各從機(jī)連接的電源開關(guān)、PC機(jī)是否開機(jī)啟動(dòng)等狀態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與顯示；

（5）配合PC機(jī)BIOS參數(shù)設(shè)置、使用多媒體教學(xué)軟件等方式，實(shí)現(xiàn)更多的機(jī)房管理功能，比如故障排除與維護(hù)等。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件上分為主機(jī)端和從機(jī)端兩部分。主機(jī)端包含51單片機(jī)、液晶顯示屏、矩陣鍵盤、NRF24L01無線模塊和串行口等電路；從機(jī)端包含單片機(jī)、NRF24L01無線模塊、撥碼開關(guān)和繼電器控制等電路。

3.1 單片機(jī)電路

單片機(jī)采用較常見的AT89S52，其采用先進(jìn)的高密度和非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)通用的單片機(jī)指令系統(tǒng)和引腳分布都兼容，這樣更加完善了芯片的功能和豐富了它的靈活應(yīng)用[2]。主從機(jī)均采用該型號(hào)單片機(jī)。

3.2 液晶顯示屏

顯示屏用于顯示菜單、輸入和操作信息提示、查詢結(jié)果顯示。使用LCD12864數(shù)字點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，它包括128*64點(diǎn)的液晶面板、CMOS驅(qū)動(dòng)。由于該模塊有整體的圖形點(diǎn)陣顯示，因而用它顯示圖形和字符[3] 。該顯示屏具有高對(duì)比度、能夠顯示漢字和字母等符號(hào)的特點(diǎn)，方便與51單片機(jī)連接與控制，滿足該系統(tǒng)的硬件要求。

3.3 矩陣鍵盤

系統(tǒng)用到了4 X 4 矩陣鍵盤，總共16個(gè)按鍵。各個(gè)按鍵的功能分別是：數(shù)字鍵0～9、開機(jī)鍵、關(guān)機(jī)鍵、查詢鍵、確定鍵、返回鍵和符號(hào)“-”鍵。

3.4 無線模塊

主從機(jī)使用該無線模塊進(jìn)行通信，電路相類似。NRF24L01是一款工作在2.4 ～ 2.5GHz 世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其接口電路如圖2所示。

無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型 SchockBurstTM[4-5]模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議設(shè)置可以通過SPI接口設(shè)置。該模塊最高工作速率2Mbps，126頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。低功耗，待機(jī)模式下狀態(tài)為22uA，內(nèi)置2.4Ghz天線，體積小巧，模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，可直接與各種型號(hào)單片機(jī)連接使用，軟件編程方便。

3.5 串行口電路

該電路實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主機(jī)端的聯(lián)機(jī)工作，將上位機(jī)的操作指令傳送至主機(jī)端、接收的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)顯示。上位機(jī)與主機(jī)端采用RS-232串口連接，由于RS-232電平與單片機(jī)TTL電平不兼容，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使用比較常用的MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。需要注意的是，MAX232與串口座連接時(shí)，無論是數(shù)據(jù)輸出端，還是數(shù)據(jù)輸入端，連接串口座的第2引腳或第3引腳都可以，選用不同的連接方法時(shí)，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的串口線都要謹(jǐn)慎選擇[6]。

3.6 撥碼開關(guān)電路

撥碼開關(guān)（也叫DIP開關(guān)）是一個(gè)用來操作控制的地址開關(guān)，采用的是0/1的二進(jìn)制編碼原理，每一個(gè)鍵對(duì)應(yīng)的背面上下各有兩個(gè)引腳，撥至ON一側(cè)，則下面兩個(gè)引腳接通，反之則斷開[7]。從機(jī)端的撥碼開關(guān)，用于從機(jī)編號(hào)設(shè)置，方便進(jìn)行控制。1個(gè)8位撥碼開關(guān)有28種不同的編碼組合，分別對(duì)應(yīng)256臺(tái)從機(jī)。本系統(tǒng)可以根據(jù)需要對(duì)從機(jī)進(jìn)行手動(dòng)編號(hào)，具備良好的擴(kuò)展性和靈活性。

3.7 繼電器控制電路

從機(jī)端通過該電路對(duì)電源進(jìn)行開關(guān)控制。繼電器是一種常用的弱電控制強(qiáng)電的“自動(dòng)開關(guān)”。為增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾和穩(wěn)定性，采用光電耦合器。光電耦合技術(shù)主要是為了解決模擬電路和數(shù)字電路的集成、交叉應(yīng)用時(shí)的相互干擾問題，同時(shí)具有信號(hào)整形、降低誤操作等功能[8]。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)也分為主機(jī)端與從機(jī)端兩部分。由于軟件代碼較多，特別是NRF24L01無線模塊通信部分較復(fù)雜，因此主要介紹關(guān)鍵部分的軟件設(shè)計(jì)。

4.1 主機(jī)端主程序

程序主要實(shí)現(xiàn)各器件初始化、鍵盤掃描讀入、設(shè)置無線收發(fā)模塊工作方式、液晶顯示、發(fā)送各種控制指令及接收從機(jī)狀態(tài)信息等功能。主程序部分代碼如下：

void main（）

{

………//變量初始化

NRF24L01Int（）； //無線模塊初始化

uart_init（）； //串行口設(shè)置

show_12864_init（）； //液晶初始化

while（1）

{

Mode（）； //讀入工作方式

if（flag==1） //聯(lián)機(jī)工作

GetDate_Com（）； //通過上位機(jī)輸入

else // flag=0 單機(jī)工作

KeyScan（）； //使用鍵盤輸入

SentDate（）； //發(fā)送數(shù)據(jù)

NRFSetRXMode（）； //設(shè)置為接收模式

GetDate（）； //接收數(shù)據(jù)

}

}

程序執(zhí)行時(shí)，使用Mode（）函數(shù)讀入主機(jī)工作方式，根據(jù)flag標(biāo)志位不同狀態(tài)，來確定上位機(jī)采用聯(lián)機(jī)工作還是單機(jī)工作方式。flag=1時(shí)為聯(lián)機(jī)工作，指令來自上位機(jī)的操作輸入；flag=0時(shí)為單機(jī)工作，指令通過4X4鍵盤輸入。主機(jī)端發(fā)送指令完成后，將無線模塊工作模式默認(rèn)設(shè)置為接收狀態(tài)，以提高系統(tǒng)可靠性。

4.2 從機(jī)端主程序

通過撥碼開關(guān)對(duì)各從機(jī)進(jìn)行編號(hào)，無線模塊接收指令，判斷是否開機(jī)、關(guān)機(jī)或查詢等操作。從機(jī)將無線收發(fā)模塊設(shè)置為接收模式后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析判斷該指令是否針對(duì)本機(jī)操作。若是，則進(jìn)行相應(yīng)操作，否則將數(shù)據(jù)丟棄，不做操作并繼續(xù)處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。從機(jī)操作包括電源斷開（關(guān)機(jī)）、接通（開機(jī)）和查詢狀態(tài)信息等。執(zhí)行查詢時(shí)，將電源開關(guān)等狀態(tài)參數(shù)收集后進(jìn)行封裝，等待主機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)通過無線模塊發(fā)送出去。

4.3 上位機(jī)編程

上位機(jī)程序與界面，使用VB編程。主要調(diào)用了MSComm控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)與處理、數(shù)據(jù)顯示，另外還需要實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)、鍵盤輸入等功能。

5 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)由一塊主機(jī)板和兩塊從機(jī)板組成。測(cè)試環(huán)境是在長(zhǎng)18米、寬10.5米，面積約189平方米的機(jī)房?jī)?nèi)進(jìn)行。機(jī)房?jī)?nèi)還有電腦等設(shè)備約120臺(tái)，部分處于開機(jī)通電狀態(tài)，主機(jī)板與兩塊從機(jī)板在室內(nèi)任意放置。在控制距離、功能、穩(wěn)定性和抗干擾性等方面進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)工作可靠、控制正常。變換從機(jī)端位置，進(jìn)行重新測(cè)試，結(jié)果基本一致。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，主機(jī)端執(zhí)行了全部開機(jī)功能后進(jìn)行狀態(tài)查詢，主機(jī)端上顯示有兩臺(tái)開機(jī)，兩從機(jī)端對(duì)應(yīng)的綠色LED燈亮代表電源接通狀態(tài)。

6 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)機(jī)房資源的合理利用、降低電能消耗和延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，對(duì)高校來說是非常重要的。本課題結(jié)合單片機(jī)與無線技術(shù)對(duì)機(jī)房電源控制方面進(jìn)行了初步探討與實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了采用無線方式控制電源開關(guān)與管理功能。同時(shí)該系統(tǒng)還具備低成本、容易安裝調(diào)試及可擴(kuò)展等特點(diǎn)。若系統(tǒng)再進(jìn)行深度開發(fā)與改進(jìn)，將在更多方面得到應(yīng)用，對(duì)同類課題研究也具有一定的參考價(jià)值。

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