智能型低壓斷路器的GPRS通信模塊設計

王祥傲， 汪先兵

(滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000)

隨著智能電網產業的快速推進和微處理器技術的不斷進步[1]，在低壓斷路器領域，國內外廠商的研究重點是集多種功能于一體的智能型開關設備，其具有監測、保護、故障記錄和通信等功能[2-3]。今后，低壓斷路器將朝著高度智能化、通信網絡化、產品模塊化和通用化的方向發展[4-5]。

在智能供配電系統中，數據的傳輸一般采用基于現場總線的有線傳輸方式。在野外或不便于鋪設線纜的地方，有線傳輸方式則受到了限制，而無線通信技術則可以克服上述缺點。GPRS作為一種成熟的無線通信技術，具有接入迅速、數據傳輸速度快和按流量計費等特點[6-7]，在低壓斷路器中的應用研究也逐漸得到廠商及客戶的重視[8]。

本設計提出將無線GPRS通信技術應用于智能型低壓斷路器，實現對斷路器工作狀態的實時監測、保護和控制[9-10]，操作人員只需一部可以接入Internet的電腦或開通GPRS的手機就能夠實現對智能型斷路器的無線遠程監控，從而為無人值守的工業監控提供更優的手段。

1 GPRS通信的智能型斷路器系統結構

智能型低壓斷路器由斷路器本體和遠程通信單元構成。遠程通信單元由四個功能模塊組成，即：現場通信模塊、微控制器模塊、GPRS模塊和電源模塊。微控制器經串口控制現場通信模塊和GPRS模塊的工作。SIM900模塊實現了GPRS/GSM物理層傳輸協議，內置TCP/IP協議棧，配合32位嵌入式微處理器，實現PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復雜網絡協議和SOCKET標準，提供全透明數據傳輸；設備能夠隨時隨地通過GPRS網絡接入Internet連接公網上的監控主站或通過手機短信進行數據傳輸。連接現場低壓斷路器的GPRS模塊配備SIM卡。發送過程：低壓斷路器上傳各種數據信息，由微處理器將這些數據信息打包封裝，通過GPRS模塊無線發送給用戶中心手機。接收過程：GPRS模塊將接收來的各種數據信息和命令格式，由微處理器解包處理，來實現對低壓斷路器的數據采集與遠程控制。該硬件通信結構中，監控主站和用戶中心手機發送或接收的命令格式依據標準的Modbus通信協議的數據格式進行傳輸。如圖1所示為智能型低壓斷路器結構原理框圖。

圖1 智能型低壓斷路器GPRS數據終端結構原理框圖

2 智能型低壓斷路器的GPRS通信單元硬件設計

2.1 SIM900的GPRS通信模塊設計

本設計選取SIMCOM公司內嵌TCP/IP協議的SIM900芯片。SIM900模塊采用單電源供電，VBAT供電范圍3.2～4.8 V之間，推薦電壓為4 V，模塊射頻發射時會導致電壓跌落，此時電流的峰值最高會達到2 A以上，因此電源供電能力盡可能達到2 A，VBAT引腳需接大電容EC5，提高輸出能力。系統工作時，MSP430F5438A微處理器先控制SIM900進行通信模式的選擇(短信模式或TCP模式)，之后根據用戶指令執行相應功能。通過PWRKEY引腳實現SIM900模塊的開關機設計及時序。DTR引腳控制模塊進入/退出sleep模式，模塊開機前，微處理器端工作，客戶端通過IO將模塊DTR引腳直接拉低，待模塊開機后將DTR引腳拉高，進入sleep模式。CTS透傳狀態下作為硬件流控使用，在透傳模式下，模塊完全處于數據態，模塊內部buffer有8K的空間，正常情況下CTS引腳為低電平，如果buffer內數據大于6 K，模塊CTS引腳置高。圖2為SIM900通信模塊的電路圖。

圖2 SIM900通信模塊電路圖

2.2 GPRS通信模塊的SIM卡接口電路設計

SIM卡具有微處理器芯片，故需要供電、復位、時鐘等外圍電路。SIM900內部具有電壓穩壓器，可以向SIM卡提供電源和時鐘信號等。SIM900與SIM卡的連接電路如圖3所示，SIM_VDD引腳為SIM卡供電，SIM_RST引腳提供復位信號，SIM_CLK引腳提供時鐘信號，SIM卡通過SIM_DATA引腳發送/接收數據。SIM卡模塊支持1.8 V/3 V的SIM卡。SIM卡供電根據SIM卡類型自動選擇輸出電壓，為3±0.3 V或1.8±0.18 V，引腳最大輸出電流能力為10 mA。為了增強SIM卡部分的可靠性，SIM卡引腳連接電容EC6，以穩定電源輸出，減小紋波，防止干擾。

圖3 SIM900與SIM卡的連接電路

3 GPRS通信軟件設計

3.1 手機短信GPRS通信軟件設計

在進行短信無線數據傳輸前，需設置GPRS模塊中SIM卡的號碼以及用戶手機號碼。當用戶手機發送采集或控制消息給GPRS通信模塊的SIM卡時，SIM900模塊在接收到消息后會通知微控制器讀取消息文本，微控制器將這些數據讀入，采用了中斷觸發的方式處理智能型低壓斷路器的數據，并設置了一個接收隊列暫存這些數據，將數據封裝成TCP/IP包，再封裝為PPP包，在數據打包處理過程中，如果檢測到網絡系統的信號連接不暢通，或者不是GPRS網絡覆蓋區，將進行數據發送緩存處理，同時將數據放進發送隊列等待發送。當重新檢測到信號連接正常，經串口將數據發送給GPRS通信模塊，使用AT命令控制SIM900通過GPRS網絡與用戶中心手機進行數據交互，微處理器與GPRS模塊利用RS232串口實現數據交換與程序下載。手機短信GPRS通信流程如圖4所示。

圖4 手機短信GPRS通信流程圖

3.2 Internet網絡的GPRS通信設計

無線GPRS網絡與Internet網絡進行數據交換前，由于GPRS模塊每次獲得的動態IP地址可能不同，因此，一般情況下監控主站無法主動與GPRS模塊通信連接。通信結構中需要建立一個具有固定IP地址的監控主站，其IP被固化在GPRS通信模塊內。當GPRS模塊上電被移動中心分配獲得一個動態IP地址后，GPRS模塊主動向固定IP地址的監控主站發出連接申請，獲得連接允許后，監控主站和GPRS模塊間始終保持通信連接。當出現通信不可靠或失敗時，GPRS模塊將自動斷開當前連接，復位后重新申請連接，充分保證通信的可靠性和實時性。

當微處理器與GPRS通信模塊上電復位后，首先對工作頻率、通信波特率、接入網關和移動終端類別等參數進行設置，然后進行撥號和PPP協商，包括LCP協商、PAP協商以及IPCP協商，得到系統動態IP、動態網關和動態DNS，最終完成GPRS網絡的Internet網絡接入。PPP協議工作流程如圖5所示。

圖5 PPP協議工作流程圖

GPRS模塊獲得動態IP后，主動與監控主站連接，連接成功后，與監控主站就建立了通信鏈路，隨時收發數據。數據包發送過程為：程序采用中斷觸發的方式處理智能型斷路器發送的數據，并設置一個接收隊列暫存這些數據。微處理器將這些數據讀入，將數據封裝成TCP/IP包，再封裝為PPP包，在數據打包處理過程中，如果檢測到網絡系統的信號連接不暢通，或者不是GPRS網絡覆蓋區，將進行數據發送緩存處理，同時將數據放進發送隊列等待發送。當重新檢測到信號連接正常，則經串口將數據發送給GPRS通信模塊，使用AT命令控制SIM900通過GPRS網絡與監控主站進行數據交互。數據包接收過程為：監控主站組建智能型斷路器的通信命令幀，通過Internet網絡發送到GPRS網絡，程序中始終檢測有無GPRS網絡數據到達，如有，則通過AT命令讀入數據，GPRS模塊接收到分組數據后處理為TCP/IP包，并根據相應的協議對其解包，微處理器解析出具體的通信命令幀后，通過串口傳輸給斷路器，斷路器接收命令進行處理后并返回響應。GPRS無線網絡通信流程如圖6所示。

圖6 GPRS無線網絡通信流程圖

手機發送中英文短信到SIM900模塊上，然后讀取模塊接收的對應短信。對于中英文短信的讀取，模塊返回的內容是UNICODE編碼的組合，實驗測試時，將UNICODE碼轉換為漢字或字符。

發送指令AT+CMGF=1，用于設置文本模式，其次發送指令AT+CSMP=17,167,2,25,用于設置文本模式的參數，然后發送指令AT+CSCS=“UCS2”，用于設置UCS2編碼字符集。手機號為：18255065653，發送中英文短信內容：智能型低壓斷路器的無線GPRS通信模塊設計。首先使用UNICODE轉換工具，將手機號碼和發送的內容轉換成UNICODE字符串。18255065653轉換后的UNICODE碼即為：

0031 0038 0032 0035 0035 0030 0036 0035 0036 0035 0033。

智能型低壓斷路器的無線GPRS通信模塊設計，轉換后的UNICODE碼為：

57FA 4E8E 0047 0050 0052 0053 7684 4F4E 538B 667A 80FD 65AD 8DEF 5668 7EC8 7AEF 6A21 5757 8BBE 8BA1。發送時需將轉換成的UNICODE碼去掉空格。

4 無線GPRS通信測試

實驗測試系統由MSP430開發板和GPRS通信模塊組成。將測試程序燒錄到MSP430并通過串口連接GPRS通信模塊。通過手機短信的通信方式向GPRS模塊上的SIM卡發送短信(卡號為18225791862)，查詢和控制斷路器分閘與合閘的運行情況以及相關參數。測試結果表明采用GPRS通信方式可以遠程、快速、準確的控制并查詢智能型低壓斷路器的運行狀態參數。

5 結論

綜上所述，本文基于SIM900無線GPRS模塊設計了智能型斷路器運行數據的遠程通信單元，由現場通信模塊采集的數據經過微控制器的處理，將信息傳送至GPRS通信模塊，然后經由通信模塊送出數據至監控中心或用戶手機，供管理人員查看及作出相應的處理，從而實現斷路器運行數據、故障信號以及狀態指示的檢測和控制。若管理人員需要控制斷路器進行相應的動作，只需通過監控中心或用戶手機發出命令，經由GPRS網絡傳送至智能型斷路器的GPRS無線通信模塊，由微控制器進行相應的動作管理，從而實現斷路器的遠程無線遙控。將GPRS無線通信模塊應用于一臺1.14 kV、500 A的智能型斷路器，實驗結果表明，這種具有無線遠程GPRS通信功能的智能斷路器可提供全透明數據傳輸，用戶無需關注復雜的網絡協議，使用串行通信接口就可以進行無線數據收發，現場設備能夠隨時通過GPRS網絡接入Internet連接公網上的監控主站或通過手機短信進行數據傳輸。