移動電站遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹志勇 邵天章 邢婭浪

(軍械工程學(xué)院電氣工程系，河北 石家莊 050003)

0 引言

移動電站具有工作地點(diǎn)不確定、工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，在很多情況下，相關(guān)負(fù)責(zé)人一方面要關(guān)心移動電站當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)與警報情況，另一方面卻又無法保證對所有移動電站的實(shí)時跟進(jìn)。目前，大量電站均安裝了智能控制系統(tǒng)，可實(shí)時檢測各種運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的報警保護(hù)，為遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控提供了可能。普通的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備受到裝置復(fù)雜昂貴、傳輸距離短、抗干擾能力弱等多方面因素的制約，基本不能滿足使用要求。

全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication，GSM)是目前移動通信體制中比較成熟、完善且應(yīng)用比較廣泛的一種技術(shù)［1］。該技術(shù)可傳輸各種監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制命令，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、定位導(dǎo)航、個人通信終端等領(lǐng)域［2］。因此，將GSM技術(shù)與電站智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以很好地解決電站裝備遠(yuǎn)程狀態(tài)信息無線獲取的問題。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)

移動電站運(yùn)行狀態(tài)信息需由前端檢測設(shè)備(通常為智能控制系統(tǒng))獲取。智能控制系統(tǒng)可與GSM模塊相結(jié)合或采取一體化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、CPU模塊、人機(jī)交互模塊、報警輸出模塊、控制輸出模塊、GSM通信模塊等模塊構(gòu)成［3］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

數(shù)據(jù)采集模塊將移動電站待測參數(shù)通過傳感器、電子開關(guān)、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換等電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并上傳給CPU模塊。檢測參數(shù)一般包括電站輸出電壓、輸出電流、電壓頻率、功率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、溫度、機(jī)油壓力、電平電壓等［4］。

CPU模塊是系統(tǒng)檢測控制中樞，可根據(jù)程序設(shè)定與外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)選用的STC12C5410單片機(jī)，是美國STC公司在8051單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核基礎(chǔ)上改進(jìn)推出的一款具有增強(qiáng)型功能的單片機(jī)。該單片機(jī)芯片從引腳到指令完全與8051相兼容，可采用C51語言進(jìn)行程序開發(fā)［5］。

人機(jī)交互模塊包括鍵盤與液晶兩部分。鍵盤便于用戶進(jìn)行各項(xiàng)功能控制，如系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、電站的啟動/停機(jī)控制等，硬件設(shè)計(jì)可采用專用鍵盤芯片;液晶能實(shí)時顯示各種被測參數(shù)數(shù)值、波形、報警等信息，使人機(jī)交互更加友好。

輸出模塊包括報警輸出與控制輸出兩部分。當(dāng)移動電站的某項(xiàng)參數(shù)值超過預(yù)設(shè)閾值時，報警輸出模塊將產(chǎn)生聲、光、電等多種形式的警報?？刂戚敵瞿K是實(shí)現(xiàn)移動電站啟動/停機(jī)、在線編程等功能的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一般由多個繼電器及相應(yīng)驅(qū)動電路組成［6］。

GSM通信模塊可實(shí)現(xiàn)移動電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能。下文將作重點(diǎn)介紹，在此不再贅述。

1.2 GSM模塊電路連接

系統(tǒng)選用捷麥公司G100系列的G100A型短信息收發(fā)模塊。模塊管腳定義如圖2所示。

圖2 G100A型GSM通信模塊管腳圖Fig.2 Pins of G100A GSM communication module

由圖2可知，系統(tǒng)采用VCC直流正電源輸入，范圍為5～15 VDC。其中，GND為直流電源地;RXD為模塊串口接收端，與微處理器的TXD端相連;TXD為模塊串口發(fā)送端，與微處理器的RXD端相連;DSR、DTR為模式2指示串口數(shù)據(jù)端。

G100A型GSM通信模塊可在模式1和模式2兩種方式下工作。在模式1下，GSM通信模塊與上位機(jī)連線采用三線制串口連接，沒有其他任何握手和數(shù)據(jù)流控制線;連接方式簡單，除電源外不需任何外圍輔助電路。模式1下GSM通信模塊與上位機(jī)連線圖如圖3所示。

圖3 模式1下連線圖Fig.3 Connections under working mode 1

模式2為GSM短信息透明傳輸方式。由于在部分應(yīng)用場合，用戶所用的上位機(jī)是成熟產(chǎn)品，無法改變其內(nèi)在的通信程序及通信幀格式，使得模式1的應(yīng)用受到了很大的限制。在模式2下，用戶可以不改變原有上位機(jī)的通信幀格式，直接將其與GSM模塊相連接，如使用Modbus等規(guī)約信令。G100A型GSM通信模塊與上位機(jī)連線通常采用五線制的連接方式，即TXD、RXD、GND三條線傳輸信息內(nèi)容，DSR、DTR兩條線指示信息性質(zhì)。無論信息是從上位機(jī)還是從GSM模塊發(fā)出，都是無格式的，其內(nèi)容是數(shù)據(jù)還是命令通過DTR和DSR兩條線上的電平狀態(tài)進(jìn)行識別。DTR與DSR兩條線的信號狀態(tài)采取正邏輯，“1”代表數(shù)據(jù)，“0”代表命令。其中DTR由上位機(jī)控制，GSM模塊讀取其狀態(tài);DSR與之相反，由GSM模塊進(jìn)行控制，上位機(jī)讀取其狀態(tài)。模式2下的連線圖如圖4所示。

圖4 模式2下連線圖Fig.4 Connections under working mode 2

2 通信幀格式

系統(tǒng)采取模式1的工作方式，因此只討論在模式1下GSM模塊與上位機(jī)(微處理器)間的通信幀格式。數(shù)據(jù)的傳輸采用單片機(jī)串行通信方式1，即傳輸字節(jié)格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，無校驗(yàn)位，串口速率為多速率可編程。

GSM模塊與上位機(jī)間通信的內(nèi)容是由多個字節(jié)組成的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的基本格式為0xD7+控制字節(jié)+信息。其中，0xD7為包頭，是上位機(jī)與GSM模塊間傳輸數(shù)據(jù)包的起始字節(jié);控制字節(jié)表明此數(shù)據(jù)包類型，當(dāng)控制字節(jié)大于147 B時，其類型為命令，否則為數(shù)據(jù)。命令可由上位機(jī)通過串口發(fā)送給GSM模塊，控制其執(zhí)行一定的動作;也可由GSM模塊發(fā)出向上位機(jī)報送模塊內(nèi)的相關(guān)參數(shù)或狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)指的是上位機(jī)與GSM模塊間傳輸?shù)挠行畔?，主要包括電站?dāng)前狀態(tài)參數(shù)、警報信息以及用戶通過手機(jī)短息發(fā)來的查詢命令等。

2.1 數(shù)據(jù)格式

當(dāng)數(shù)據(jù)包的控制字節(jié)小于147 B時，其類型為數(shù)據(jù)。這里規(guī)定數(shù)據(jù)包由上位機(jī)發(fā)出、GSM模塊接收的為發(fā)送信息，反之則為接收信息。

①發(fā)送信息。發(fā)送信息的數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。

圖5 發(fā)送信息的數(shù)據(jù)包格式Fig.5 Format of data packet of sending information

圖5中，UDL表示待發(fā)送的除包頭0xD7外總的數(shù)據(jù)長度，包括STA、UD和它本身的字節(jié)長度，且STA和UDL的字節(jié)長度一般是固定的。STA表示接收方的電話號碼，即目的地址。STA長度一般為6個8位二進(jìn)制字節(jié)，每個字節(jié)中高4位和低4位分別用BCD碼表示1位十進(jìn)制數(shù)，這樣每個字節(jié)可表示2位號碼，6個字節(jié)共可表示12位號碼。由于現(xiàn)行的電話號碼為11位，在實(shí)際傳輸時需在號碼前加0，以補(bǔ)足12位。UD表示上位機(jī)發(fā)送的有效數(shù)據(jù)，其總長度最大為140個字節(jié)，有效數(shù)據(jù)包括漢字、數(shù)字、字母及各種符號。發(fā)送時漢字需轉(zhuǎn)換成Unicode碼，其他字符轉(zhuǎn)換成ASCII碼。

②接收信息。接收信息的數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。

圖6 接收信息的數(shù)據(jù)包格式Fig.6 Format of data packet of receiving information

這里的UDL和UD與發(fā)送信息含義相同，SOA為外部發(fā)送方的電話號碼，即源地址，轉(zhuǎn)換方法與前面一致。DATE為短信中心收到短信的時間，即發(fā)送方發(fā)送短信時間，其包括6個字節(jié)的BCD碼，依次是年、月、日、時、分、秒。需注意的是，UDL的數(shù)值不包括這6個字節(jié)。

2.2 命令格式

當(dāng)數(shù)據(jù)包的控制字節(jié)大于147 B時，其類型為命令。命令的數(shù)據(jù)包格式為0xD7+控制字節(jié)+參數(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要基于Keil軟件平臺。Keil軟件支持幾乎所有MCS51架構(gòu)的芯片，并且集編輯、編譯、仿真等多項(xiàng)功能于一體，同時支持匯編語言和C語言程序設(shè)計(jì)［7］。在此，重點(diǎn)介紹與GSM模塊相關(guān)的程序設(shè)計(jì)。該部分程序主要實(shí)現(xiàn)對GSM模塊的上電初始化以及模塊與上位機(jī)(微處理器)間的通信。程序流程如圖7所示。

系統(tǒng)上電后，GSM模塊內(nèi)部進(jìn)行初始化，主要檢測無線信號強(qiáng)度，并登錄GSM網(wǎng)絡(luò)［8］，時間大概為20 s。當(dāng)收到信息獲取命令時，GSM模塊通過上位機(jī)取得當(dāng)前電站參數(shù)狀態(tài)信息，經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的形式將電站當(dāng)前狀態(tài)信息發(fā)送至用戶手機(jī)。模塊發(fā)送短信后無論成功或失敗都將返回一個標(biāo)志碼給上位機(jī)。如發(fā)送失敗，上位機(jī)可選擇重發(fā)，直至短信發(fā)送成功。當(dāng)電站產(chǎn)生報警信息后，微處理器將報警信息(如超速停機(jī))發(fā)送給GSM模塊，GSM模塊接收到報警信息后，將其以短信息形式通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到指定用戶的手機(jī)上。

圖7 GSM模塊程序流程圖Fig.7 Flowchart of GSM module program

3.1 發(fā)送程序

發(fā)送程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對GSM模塊的數(shù)據(jù)通信。如收到用戶發(fā)來的電站狀態(tài)獲取命令或電站產(chǎn)生報警信息時，上位機(jī)按照相應(yīng)通信幀格式將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至GSM模塊，再由GSM模塊將該信息以短信形式傳遞至指定用戶手機(jī)。部分程序如下。

3.2 接收程序

接收程序的主要功能是實(shí)現(xiàn)GSM模塊對上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)GSM模塊接收到用戶以短信形式發(fā)來的電站狀態(tài)信息獲取命令時，其在模塊內(nèi)部自動將短信內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后按照相應(yīng)通信幀格式將命令信息發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)接收的命令內(nèi)容完成相應(yīng)操作。

4 結(jié)束語

基于GSM模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已在多部移動電站上得到了實(shí)際應(yīng)用，用戶可通過手機(jī)在任何時間、任何地點(diǎn)查詢指定編號移動電站的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息，同時也能夠在第一時間掌握電站警報情況，甚至可以遠(yuǎn)程控制移動電站啟動/停機(jī)，使用效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如網(wǎng)絡(luò)信號較差時，短信收發(fā)延時情況較為明顯。相信通過GSM模塊無線發(fā)射功率的增強(qiáng)，以及無線網(wǎng)絡(luò)通信基站覆蓋范圍的不斷加大，這些問題均能得到很大改善。

［1］陳琦，丁天懷，李成，等.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠(yuǎn)程測控終端設(shè)計(jì)［J］.清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，49(2):223 －225.

［2］胡金鳳，鄭萍，吳擁，等.基于GSM的PLC車載遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動化儀表，2011，32(4):36 －39.

［3］邢婭浪，趙錦成，尹志勇.基于W77E58的電站裝備運(yùn)行記錄儀的設(shè)計(jì)［J］.移動電源與車輛，2008(2):17－19.

［4］尹志勇，劉洪文，劉金寧.基于PM50語音芯片的電站遠(yuǎn)程語音提示系統(tǒng)［J］.移動電源與車輛，2009(2):7 －10.

［5］邢婭浪，趙錦成，孫世宇.基于STC系列單片機(jī)的SPWM波形實(shí)現(xiàn)［J］.國外電子測量技術(shù)，2009(12):51－53.

［6］邵天章，谷志峰，尹志勇，等.移動電站通用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.移動電源與車輛，2009(4):21－23.

［7］馬忠梅.單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:158－164.

［8］馬玉春，孫冰，王建明.GSM模塊的綜合應(yīng)用研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25(2):68 －70.