基于STC89C58RD+單片機的空調網絡管理系統控制終端設計

覃盛安

(南海東軟信息技術職業學院 后勤保障部，廣東 佛山 528225)

在學校等單位，分散安裝空調存在隨意開、通開造成的電能浪費現象，這不僅增加了單位的運作成本，同時還給管理增加了難度。為解決此問題，利用STC89C58RD+作中央處理器、rtl8019as作網卡、TCP/IP為通信協議，設計一款空調網絡管理系統的控制終端設備。便于管理人員通過空調網絡管理系統的操作，實現在網絡上對空調(受控設備)的開、關實施控制，也便于通過空調網絡管理系統了解空調 (受控設備)的運行狀態，并隨時加以管理控制。從而達到節能降耗和節支增效的經濟、高效的IT管理模式，具有理論意義和應用價值。

1 硬件

1.1 終端主機電路

整個電路分為電源、網絡接口、數據處理和控制I/O接口等四部分。電源由一個DC 9 V輸入，分別用78L05和78L06兩個集成穩壓器分成+5 V和+6 V的分支電源。+5 V電源為控制終端提供電源；+6 V電源作為光電耦合器的啟動電源，以便在光電耦合器的動作過程中，不影響主機的工作。服務器通過英特網接口與終端交換信息，再由控制終端通過I/O接口控制或獲取空調 (受控)設備的即時狀態。其結構框圖如圖1所示。

圖1 終端主機電路結構框圖

1.2 主要元器件

線路板主要由網絡變壓器FB2022、高度集成的以太網控制器 RTL8019AS、鎖存器 74HC573、靜態 RAM存儲器 62256、主控制 STC89C58RD+等芯片，RJ45接口和幾組光電耦合器以及一些外圍元器件組成。其中，主控芯片STC89C58RD+內部資源[1]包括：32 KB內部閃存；1 280 B片內RAM數據存儲器；工作頻率0～35MHz(相當于普通8051的0～420MHz)；有內部看門狗電路，解決了外界影響帶來的 “死機”問題；具有 4級 8個中斷源，提供2個額外的外部中斷機制和4組I/O口等。此外，還有寬電壓，低功耗，與其他8051完全兼容的特點。RTL8019AS為臺灣芯片生產商Realtek公司針對第三代快速以太網連接而設計，它支持多種嵌入式處理器芯片，內置FIFO緩存器用于直接發送和接收數據。RTL8019AS支持以太網II和IEEE802.3；軟件兼容8 bit和16 bit的NE2000。對于沒有很復雜數據流處理的本控制終端機來說，低廉的造價也能夠達到較理想的網絡系統管理效果。

1.3 硬件控制實現

控制終端與空調間用光電耦合器連接，當控制終端接收到系統“電源開”指令時，相應的光電耦合器閉合，打開空調電源，此時空調處于伺服狀態，面板上的電源指示燈亮，等待系統或遙控器等發送“運行”指令。同時，因空調電源指示燈打開而相應的光電耦合器導通，把空調的即時狀態信息通過控制終端處理后傳給系統。空調進入伺服狀態后，如果接收到系統或其他方式的“運行”操作指令時，空調就開始運行，面板上的“運行”指示燈亮。同時因面板“運行”指示燈亮而相應的光電耦合器導通，把空調的“運行”狀態信息通過控制終端處理后傳給系統。當控制終端接收到系統“電源關”的指令時，將關閉空調的運行狀態，并且切斷空調的電源。此時空調處于完全停止狀態，遙控及受控設備本身的任何硬件按鈕操作均無效。就這樣，基于TCP/IP協議的可靠通信連接，控制終端隨時等待著執行服務器給它的系統指令，并周期性地把受控設備的即時狀態信息反饋給服務器。在試驗中，如表1所示為用LED模擬空調設備，由不同IP和端口的兩個終端與同一臺服務器相連得出的實驗結果。當控制終端接收到系統發來的指令“1”時，空調“總電源”開啟，LED1亮，同時向服務器反饋“電源開”的信息。在“電源開”的狀態下，控制終端接收到系統指令“2”時，空調“總電源關”，LED1滅；接收到系統指令“3”、“4”時，控制終端和負載相應的動作是“運行、LED2亮”、“停止、LED2滅”。 當 “總電源關、LED1滅”后，沒有收到系統指令“1”時，其他任何指令對負載的控制無效，終端狀態燈無顯示，同時反饋給系統的信息為“關閉中”。

1.4 安全控制原理

在同一管理系統內，每一個控制終端都固化唯一的物理地址(MAC)、本地IP地址和端口號，除了只與本身固有IP地址的服務器相應端口通信外，不與其他微機發生關系；終端與終端之間也不會有任何干擾。其他PC主機在權限范圍內可以通過服務器瀏覽或操作系統中各控制終端的設備狀態。這樣有利于設備運行的安全性和可靠性。如需系統維護，也只需將安裝好空調管理系統的備用服務器的IP地址更改成控制終端對應服務器的IP地址即可。

表1 網絡控制終端響應的實驗結果

2 TCP/IP的移植引用

2.1 開源TCP/IP的選擇

從來自不同出處的資料顯示，移植TCP/IP到8 bit低端處理器上，如uIP等不同版本TCP/IP棧的移植已有很多成功的案例。本控制終端的網絡接口實現，是成功地移植引用了ZLIP版的TCP/IP協議棧[2]，其顯著特點是：

(1)有適中的代碼量和RAM使用量。使用22.1184MHz晶振、KeilC編譯器、STC89C58RD+單片機下測試的技術參數如表2所示。

表2 技術參數

(2)與BSD套接字基本相同，接口簡單，使用方便。

(3)支持ping命令的響應。

(4)本身為單片機設計。所有的外部變量都使用了xdata類型，全部指針都為明確存儲類型的指針，需要重入的函數已經聲明為reentrant，減少了重入函數在內存中的滯留。

2.2 網絡通信的實現

(1)ZLIP棧符合BSD標準，定義一個套接字類型的全局變量“ExConn”，創建套接字。即：

ExConn=TCPSocket(IPAddr)；

(2)寫函數voidOnAcceptRecv(voidDT_XDATA*buf，WORD size)REENTRANT_MUL作為連接函數的參數，以便數據傳輸的有效對接。

(3)通過調用函 數 TCPConnect(ExConn，0xc0a80002，55000，OnAcceptRecv，OnClose)主 動 與 IP“192.168.0.2(IP地址的十六進制表示為0xc0a80002)”相匹配的服務器進行連接。獲得服務器分配相應的“55000”端口進行套接，實現收發數據和關閉連接的接口，從此進行正常通信。

(4)主動與服務器進行連接，提高系統管理的可靠性和安全性。如遇服務器故障或關閉，終端會周期性發出ARP廣播，直到重新正常連接。

3 軟件的實現

3.1 網卡驅動的引用及更改

3.1.1 網卡驅動基地址的更改

因為硬件的線路板設計有差別，將ZLIP里的RTL8019.H的基地址宏定義0xb000改成0x8000(#define RTL_BASE_ADDRESS 0x8000)。

3.1.2 網卡復位啟動

添加函數：

終端上電時，采用冷啟動復位，便于終端即時初始化網卡。

3.1.3 控制終端主程序

終端上電，初始化各模塊后，通過創建的套接字主動去與服務器對接，然后向服務器發送準備就緒的信號，周期性地檢測與服務器連接的情況，靜靜地等待服務器的指令和觀察受控設備的狀態。一旦情況有變，就立即執行相應的動作。終端工作流程圖如圖2所示。

圖2 終端軟件流程圖

3.2 控制管理的實現

3.2.1 管理設備電源

受控設備的電源只有一種開通方式：即系統管理員通過服務器的“電源開”指令操作。其他任何形式和個人(專業維修人員除外)在沒有授權的前題下操作均無效。

3.2.2 受控設備的狀態管理

系統管理員可隨時從空調網絡管理系統中了解到設備的開啟運行狀況，對有異常的設備及時向工程維修中心發送維修申請，然后由維修中心解決出現的異常。其他人員可以通過系統平臺瀏覽設備運行狀況，遞交設備使用時段申請文件，請求系統管理員給予使用時效權。空調(受控設備)電源一旦開通，就給使用者充分的使用權限，讓其自由使用。這樣，既給使用者充分的自由，又給管理帶來了方便，就基本上杜絕了隨開、亂開、通開的電能浪費的現象。從而提高了設備的利用率和完好率，令其運行于經濟、高效的網絡系統管理模式下。

單片機的應用有利于產品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高勞動效率，減輕勞動強度，改善勞動環境，減少能源和材料消耗，保證安全等。本控制終端是作為單一的客戶端設計，把系統管理中大量數據處理及存儲的工作交給服務器去做。這樣大大節省了控制終端的資源，降低了負荷，讓控制終端專注于處理服務器發來的指令并按要求對空調加以控制。同時，把受控設備的運行狀態及時傳送給服務器，讓系統管理員隨時掌控系統中各空調的運行狀態。基于程序結構簡單、硬件結構合理、造價低廉且安裝方便的空調網絡管理系統控制終端，僅對空調小作改進，即可輕松把已有的設備納入統一、高效的智能化管理，讓“物盡其用、物盡其能、物有所值”。

[1]宏晶科技.8051系列單片機選型[DB/OL].http：//www.mcu-memory.com/stc-mcu-select-1.htm.

[2]李章林.ZLIP使用簡介 [DB/OL].[2005-11-28].http：//www.zlmcu.com/project/ZLIP/download/ZLIP%20Application%20Note.pdf.

[3]謝希仁.計算機網絡[M].第 5版.北京：電子工業出版社，2008.

[4]萬隆，巴奉麗.單片機原理及應用技術[M].北京：清華大學出版社，2010.

[5]COMER D E，STEVENS D L.用TCP/IP進行網際互連.第二卷：設計、實現與內核：ANSI C版[M].第三版.張娟，王海，黃述真譯.北京：電子工業出版社，2008.