基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统与方法与流程

本发明涉及楼宇机电设备控制装置，尤其涉及一种基于Arduino 的楼宇机电设备远程短信控制系统与方法。

背景技术：

2013年，国家发改委出台《绿色建筑行动方案》 ，明确提出开展绿色建筑行动的重要性。伴随着绿色建筑+互联网研究的深入开展，研究结果表明仅由于机电设备的远程可视可控性，就可以将能耗的节约程度提升5%~15%以上。针对互联网的远程控制,国内外专家学者做了大量的应用性研究。Juntao Li详细介绍了远程短信控制系统的设计原理,并与传统控制系统做了细致的分析比较,Angelo设计了一套远程短信息控制的宠物喂养系统，吴志慧基于GR47通信模块实现家电的短信远程控制，王超应用单片机与 TC35 短信模块设计一套远程开关控制系统。上述研究的重点都着眼于家庭用户，用电负荷不大的对象；控制系统大多基于单片机与通信模块开发，开发过程较为复杂。针对大楼大型机电设备的远程控制，国内外目前主要采用Honeywell的Excel5000、Siemens的Apogee系统、及清华同方的泰康楼宇控制系统，其系统庞大，价格昂贵，使用复杂。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种成本较低的基于Arduino 的楼宇机电设备远程短信控制系统与方法。

本发明提供了一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统，包括Arduino控制器、手机通信模块、继电器组和大楼机电设备，其中，所述Arduino控制器分别与所述手机通信模块、继电器组连接，所述继电器组与所述大楼机电设备连接。

作为本发明的进一步改进，所述基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统还包括显示屏、键盘和时钟模块，所述Arduino控制器的输出端与所述显示屏连接，所述键盘的输出端与所述Arduino控制器连接，所述时钟模块的输出端与所述Arduino控制器连接。

作为本发明的进一步改进，所述继电器组为四路继电器。

作为本发明的进一步改进，所述大楼机电设备连接有光耦检测器，所述光耦检测器与所述Arduino控制器连接。

作为本发明的进一步改进，所述大楼机电设备连接有手动启停开关。

本发明还提供了一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制方法，包括以下步骤：

S1、串口通信初始化；

S2、判断是否有短信，如果没有短信，则返回步骤S1；如果有短信，则进行下一步骤；

S3、判断是否授权用户，如果不授权，则返回步骤S1；如果授权，则进行下一步骤；

S4、提取该短信；

S5、判断是否控制大楼机电设备，如果控制，则进行步骤S6；如果不控制，则进行步骤S7；

S6、进行大楼机电设备的启停控制并返回步骤S1；

S7、读取大楼机电设备的状态，发送大楼机电设备的数据并返回步骤S1。

作为本发明的进一步改进，步骤S6为，进行大楼机电设备的启停控制，删除信息，返回步骤S1。

作为本发明的进一步改进，步骤S7为，读取大楼机电设备的状态，发送大楼机电设备的数据，删除信息，返回步骤S1。

本发明的有益效果是：通过上述方案，可通过手机短信来控制大楼机电设备，可以有效降低成本，使用灵活方便，可以极大限度提高大楼机电设备的使用寿命、降低设备能耗。

附图说明

图1是本发明一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统的示意图。

图2是本发明一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统的连接示意图。

图3是本发明一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制方法的流程示意图。

图4是本发明一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制方法的初始化程序树状图。

图5是本发明一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制方法的负载当前状态发送程序树状图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图2所示，一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统，包括Arduino控制器101、手机通信模块102、继电器组103和大楼机电设备104，其中，所述Arduino控制器101分别与所述手机通信模块102、继电器组103连接，所述继电器组103与所述大楼机电设备104连接，Arduino控制器101又称Arduino微控制器，Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。

如图1至图2所示，所述基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制系统还包括显示屏105、键盘106和时钟模块107，所述Arduino控制器101的输出端与所述显示屏105连接，所述键盘106的输出端与所述Arduino控制器101连接，所述时钟模块107的输出端与所述Arduino控制器101连接，所述显示屏105优选为LCD液晶显示屏。

如图1至图2所示，所述继电器组103优选为四路继电器。

如图1至图2所示，所述大楼机电设备连接有光耦检测器110，所述光耦检测器110与所述Arduino控制器101连接。

如图1至图2所示，所述大楼机电设备104连接有手动启停开关108，可用于手动控制，手动启停开关108优选为双控开关109，双控开关109又称双控面板开关，可实现设备的就地控制。

本发明提供的一种成本较低的基于Arduino 的楼宇机电设备远程短信控制系统，基于短信的远程控制是通过手机等设备将监控命令以短信息的方式发送至手机通信网络，网络将控制命令转发到远程微控器，微控器根据短信息指令执行相关动作，从而实现对远程设备的状态读取或启停控制。该系统设计两种控制模式,即自动模式和手动模式。手动模式时，用户可通过现场开关直接控制；自动模式时，用户可通过手机短信的方式远程读取设备状态和控制设备。控制系统的主要部件包括控制器模块和无线通信模块。Arduino微控制器是整个系统的核心，无线通信模块负责系统与设备管理人员的信息交互，根据接收到的短信息或键盘输入信息执行相应的动作。用户通过系统键盘，可授权一个或多个用户远程使用该系统；并可设置控制系统定时给管理人员发送设备运行状态的时间。考虑现场机电设备供电电源一般是220 VAC或380 VAC，而微控制器的输出引脚一般只能够提供5V（40MA）左右的电流，因此系统设计了继电器模块，由微控制器通过控制继电器模块间接实现对高电压大电流设备的控制。

Arduino微控制器是控制系统的核心，系统基于开源硬件平台Arduino Mega 2560进行设计开发。Arduino是目前非常流行的电子互动平台，基于单片机系统开发，具有使用简单、功能多样、价格低廉等优点，广泛应用于控制系统设计和互动产品开发方面。Arduino Mega 2560具有54路数字输入输出， 16路模拟输入，4路UART接口，非常适合需要大量输入输出接口控制的对象。此外，该控制板可通过标准的USB线缆与电脑连接，通过在线调试程序，大大缩短了开发周期。

远程监控一般通过两种方式实现，一种是GPRS短消息模块发送控制指令，另一种利用互联网通讯协议来发送指令，两种方法的控制效果没有明显差别，第一种方法对网络环境的要求不高，只要能接收到稳定的手机信号就可以，但第二种方法要求应用场景具有可以从外部直接访问的固定IP，因此本系统釆用发送短消息的方式实现远程控制。为了实现远程短信息的接收和发送，必须选择一款能够与Arduino微控制器易于连接的远程通信模块。目前在单片机开发领域主流的GPRS通信模块有西门子的TC351，WaveCom公司的GR64/Q64，华为公司的GTM900C/EM310，SIMCom公司的SIM900A。该控制系统采用SIM900A，主要原因是其可以方便与Arduino开发板通过串口连接进行通信，同时该模块在远程数据监控以及GPS定位等领域应用十分广泛。

为了使该控制系统功能更加完善，使用更人性化，系统硬件配置了时钟模块107、光耦检测器110、双控开关109、LCD液晶显示器和键盘106等辅助设备。时钟模块107选择DS3231，该器件是一款高精度I2C实时时钟器件，具有集成的温度补偿晶体振荡器，当控制系统意外掉电发生时仍可保持精确计时。光耦检测器110选择220V交流光电藕检测模块，检测220V交流电是否存在，其真正作用是为了检测现场被控设备的运行状态。显示屏105和键盘106分别采用12864显示屏和4*4薄膜键盘，用于控制系统的信息显示和系统设置。设计双控开关109实现设备的就地控制。以3个负载作为控制对象的具体系统硬件设计图如图2所示，硬件装配图如图3。

本发明提供的一种成本较低的基于Arduino 的楼宇机电设备远程短信控制系统，基于开源硬件Arduino与GPRS SIM900A远程通信模块，并辅助设计有LCD液晶显示屏、操作键盘106、双控开关109、及时钟模块107等。使用者通过操作键盘106可方便设置系统的合法用户，经授权的用户可通过手机发送命令，远程读取楼宇机电设备的运行状态或控制其启动或停止；用户还可通过安装在现场的双控开关109实现设备的就地控制。同时设备的运行状态可以通过定时短信的形式发送到大楼管理人员的手机，提醒管理员及时关闭设备，减少设备不必要的开启，以降低设备能源损耗，实现设备节能。

如图3所示，一种基于Arduino的楼宇机电设备远程短信控制方法，包括以下步骤：

S1、串口通信初始化；

S2、判断是否有短信，如果没有短信，则返回步骤S1；如果有短信，则进行下一步骤；

S3、判断是否授权用户，如果不授权，则返回步骤S1；如果授权，则进行下一步骤；

S4、提取该短信；

S5、判断是否控制大楼机电设备104，如果控制，则进行步骤S6；如果不控制，则进行步骤S7；

S6、进行大楼机电设备104的启停控制并返回步骤S1；

S7、读取大楼机电设备104的状态，发送大楼机电设备104的数据并返回步骤S1。

步骤S6为，进行大楼机电设备104的启停控制，删除信息，返回步骤S1。

步骤S7为，读取大楼机电设备104的状态，发送大楼机电设备104的数据，删除信息，返回步骤S1。

本发明提供的一种成本较低的基于Arduino 的楼宇机电设备远程短信控制方法，系统软件程序设计包括初始化程序与主程序两个部分。初始化主要包括对Arduino控制板的引脚形式的初始化、波特率的设置及I²C总线的初始化。主程序则主要判断串口是否有信息发来，判断是否是合法的目标用户，根据用户发送的信息执行相应动作。其软件工作流程如图3所示。

初始化主要通过setup()函数完成，setup()函数只在系统上电后运行一次，其作用是在系统主函数运行前为系统做一些基本的初始化工作，比如设置引脚形式和波特率等。在远程短信平台控制的软件实现过程中，初始化主要由四部分组成： Arduino控制板的引脚状态的初始化、波特率的设置、I²C总线初始化、及系统时钟的初始化。一、引脚状态的初始化通过pinMode函数来完成，该函数有两个参数，第一个参数指定引脚号，第二个函数代表引脚模式是输出模式还是输入模式。引脚22~24设计为输入模式，读取负载运行状态；引脚10~14设计为输出模式，其中10~13引脚负责设备启动和停止，第14号引脚用来表示串口数据接收标志。二，波特率是信号传输速率的一种量度，表示了每秒钟传递的比特数号，在编程语言中调用串口函数来进行波特率的设置，该系统设计波特率为9600Bd。三，时钟模块DS3231通过I²C总线与Arduino控制板通信，在初始化芯片的I²C总线前必须加入库函数Wire.h，通过begin()来实现。四、初始化程序的最后部分是对系统当前时间的读取和系统负载当前状态的读取。具体程序示例树状图如图4所示。

通信模块SIM900A与Arduino微控器通过串口进行通信，串口连接成功后，微控制器会持续判断串口信息的有效性。短信的读取与控制在主程序loop()函数中实现，该loop()函数打开后就一直运行，并且只要没有关闭或者没有按下重启按钮时就会一直循环运行下去。

短信息读取和发送是通过AT命令执行的，用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。在执行读取或发送短信操作前，首先应设置字符集，在发送纯英文短信的时候，应发送：AT+CSCS="GSM"，设置为缺省字符集即可。在发送中英文短信的时候，需要发送：AT+CSCS="UCS2"，设置为16 位通用8字节倍数编码字符集。AT+CMGR命令用于读取短信，比如发送：AT+CMGR=1，则可以读取SIM卡存储在位置1的短信。AT+CMGF命令为短消息发送格式命令，该命令的值可以设置为“0”或者“1”。如果设置为“0”，则代表短消息格式为PDU模式；如果设置为“1”，则代表短消息格式为TEXT模式。PDU模式主要用于中英文短消息的发送，TEXT模式主要用于英文短消息发送，因该系统传输的仅为简单的英文字母和数字，所以设置“AT+CMGF=1”即表示用模式TEXT来传送消息。以发送设备当前运行状态为例的子函数设计代码如图5所示。

本发明提供的一种成本较低的基于Arduino 的楼宇机电设备远程短信控制系统与方法，经授权的用户可通过手机发送命令，远程读取楼宇机电设备的运行状态或控制其启动或停止。同时设备的运行状态也可以通过定时短信的形式发送到大楼管理人员的手机，提醒管理员及时关闭设备。因此，该系统可以极大限度提高大楼机电设备104的使用寿命、降低设备能耗。该控制系统使用简单灵活，只要被控对象所处位置被移动网络覆盖，系统就能够可靠工作。

智能家居系统实现涉及两大方面内容：首先，在一个家居中建立一个通讯网络（有线或无线），为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制/监测和交换信息的需求。最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。完整的智能家居包含家居布线系统、家庭网络系统、智能家居(中央)控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。本发明可用于家居照明控制系统和家庭环境控制,经授权的用户可通过手机发送命令，远程读取家用电器、照明等设备的运行状态或控制其启动或停止，同时又可通过安装在墙面上的面板开关实现设备的就地控制。

楼宇机电设备众多，包括空调新风机组、送排风机、集水坑与排水泵、照明等系统。本发明同样适用于大楼内部高电压、大电流这种类型的机电设备控制，使用者通过操作键盘可方便设置系统的合法用户，经授权的用户可通过手机发送相关命令，远程读取空调新风机组、送排风机、集水坑与排水泵、照明等设备的运行状态或控制其启动或停止；用户还可通过安装在现场的双控面板开关实现设备的就地控制。同时设备的运行状态可以通过定时短信的形式发送到大楼管理人员的手机，提醒管理员及时关闭设备，减少设备不必要的开启，以降低设备能源损耗，实现设备节能。

随着智能建筑在我国的兴起，强烈要求高校培养一线从事楼宇智能化系统的设计、安装、编程，调试等工作的高技能人才，本发明也可用于高校智能建筑专业培养学生机电设备控制编程能力。在本发明设备上可实现楼宇智能化专业实训项目，具体包括：照明系统时间程序控制编程训练；空调机控制编程训练；给排水系统控制编程训练等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。