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基于單片機(jī)和GPRS的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要:介紹了一種基于C8051F020單片機(jī)和MC52i無線通信模塊構(gòu)建的配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集,完成幀結(jié)構(gòu)定制,并通過串口實(shí)現(xiàn)GPRS模塊的控制和信息收發(fā)。
關(guān)鍵詞:配電變壓器GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測單片機(jī)
1 引言
配電變壓器對配電網(wǎng)和用戶的用電可靠性、安全性有著直接的影響。為保證配電變壓器的安全運(yùn)行,必須加強(qiáng)配電變壓器的運(yùn)行監(jiān)視以便及時采取措施,防止事故發(fā)生。由于配電變壓器安裝位置分散,傳統(tǒng)的對配電變壓器運(yùn)行監(jiān)視方法工作量大,安全環(huán)境差,實(shí)時性差,很多異常情況不能及時發(fā)現(xiàn),造成了事故的發(fā)生。建設(shè)配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)配電變壓器的實(shí)時監(jiān)測,提高監(jiān)測的工作效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,為配電變壓器的安全運(yùn)行提供了有力的保障。配電變壓器監(jiān)測點(diǎn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心間相距可能較遠(yuǎn),目前可以利用的通信平臺主要有電信、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及移動通信網(wǎng)絡(luò)。由于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸由任務(wù)請求而觸發(fā),數(shù)據(jù)量和實(shí)時性要求較高,加上一些特殊環(huán)境中布線受到影響,宜采用覆蓋范圍廣、免布線的移動通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。
GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業(yè)務(wù))是在現(xiàn)有的GSM移動通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),通過在GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換功能實(shí)體,以支持采用分組方式的數(shù)據(jù)傳輸,以滿足用戶利用移動終端接入Internet或其它分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求,其速度最快可達(dá)115kbps,已在配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。文中介紹了一種應(yīng)用單片機(jī)控制的GPRS通信系統(tǒng),采用基于連接的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與遠(yuǎn)程主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸[4-5],單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與幀結(jié)構(gòu)定義,并控制GPRS與遠(yuǎn)程主機(jī)通信;遠(yuǎn)程主機(jī)要求連接互聯(lián)網(wǎng)并配置固定的IP地址,應(yīng)用VC環(huán)境下的WinSock編程方式實(shí)現(xiàn)與GPRS終端的通信[6-7]。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
配電變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)包含監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)和主站系統(tǒng)。主站系統(tǒng)主要進(jìn)行整個系統(tǒng)的管理和控制,完成人機(jī)交互工作及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路的建立,實(shí)現(xiàn)配電變壓器運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算、分析和故障判別;通信系統(tǒng)進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,完成信息的上送與下發(fā);數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成前端信號的處理、濾波和信息的采集,其結(jié)構(gòu)如圖1所示:
主站系統(tǒng)可以是一臺通過固定IP地址連接互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī),也可以是由多臺計(jì)算機(jī)構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò),通過路由器與互聯(lián)網(wǎng)連接。為方便GPRS通信終端的連接,路由器的外網(wǎng)IP地址應(yīng)固定,內(nèi)部局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)在路由器上建立端口映射。GPRS通信終端采用“IP:端口”方式連接監(jiān)控主站計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。通信系統(tǒng)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通信的管理、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換及信息傳輸。文中將對通信終端和遠(yuǎn)程主機(jī)的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3 通信終端設(shè)計(jì)
通信終端完成數(shù)據(jù)采集和通信控制,其核心是MC52i GPRS通信模塊,在單片機(jī)控制下實(shí)現(xiàn)協(xié)議解析和遠(yuǎn)程連接,并根據(jù)主機(jī)請求將單片機(jī)ADC采集的多通道信息進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝,附加標(biāo)志碼組成信息幀發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò),并通過GPRS網(wǎng)關(guān)進(jìn)入Internet由遠(yuǎn)程主機(jī)接收。
3.1 MC52i通信控制方法
MC52i是Cinterion公司(原西門子)最新推出的工業(yè)級GPRS無線通信模塊,MC52i是2波段(900MHz/1800MHz)的gprs模塊,內(nèi)部帶有TCP/IP協(xié)議棧,目前廣泛運(yùn)用于智能公交、無線數(shù)傳(DTU)、遠(yuǎn)程無線抄表等系統(tǒng)應(yīng)用中,可在-40°C到+80°C的環(huán)境下正常工作,功耗低、可靠性高、性價比高。MC52i包括了MC35i、MC39i、TC35i的所有功能,引腳和指令完全兼容MC55/MC56,采用AT命令集實(shí)現(xiàn)協(xié)議解析和通信連接。MC52i模塊支持以下Internet服務(wù):1)Socket Client and Server for TCP,Client for UDP;2)FTP Client;3)HTTP Client;4)SMTP Client;5)POP3 Client。
根據(jù)MC52i的協(xié)議需求,系統(tǒng)采用下面AT命令實(shí)現(xiàn)通信連接和信息收發(fā):
設(shè)置配置文件:
AT^sics=0,contype,gprs0;配置文件0,連接方式是GPRS
AT^sics=0,user,cms;配置文件0,設(shè)置用戶名
AT^sics=0,passwd,gprs;配置文件0,設(shè)置密碼
AT^sics=0,apn,cmnet;配置文件0,設(shè)置APN
設(shè)置服務(wù)平臺:
at^siss=1,srvType,socket;服務(wù)平臺1,服務(wù)類型為socket
at^siss=1,conID,0;服務(wù)平臺1,使用配置文件0
at^siss=1,address,"socktcp://遠(yuǎn)程主機(jī)IP地址:端口號";服務(wù)平臺1,設(shè)置服務(wù)器IP地址及端口
at^siso=1 ;服務(wù)平臺1,開始工作
上面AT命令如果運(yùn)行成功,就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)了。在此之前可使用命令at^siso?查看遠(yuǎn)程連接是否成功,運(yùn)行該命令后GPRS模塊將返回:
^SISO:1,"Socket","4","2","0","0","本地IP:端口號","遠(yuǎn)程IP:端口號"
通常若GPRS模塊已被分配到本地IP地址,則表明連接成功了,可運(yùn)用下面AT命令進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā):
at^sisw=1,n
使用服務(wù)平臺1發(fā)送n字節(jié)數(shù)據(jù),若GPRS模塊響應(yīng)^SISW:1,n,則可以輸出n字節(jié)數(shù)據(jù),并以回車鍵結(jié)束。若遠(yuǎn)程有數(shù)據(jù)傳來,GPRS模塊會給出提示^SISR:1,1,此時需要發(fā)讀命令at^sisr=1,m,然后讀取數(shù)據(jù)。若通信完畢,可根據(jù)需要使用at^SISC=1命令關(guān)閉該服務(wù)平臺。
3.2 C8051F020實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與通信
MC52i的AT命令接收及與終端的數(shù)據(jù)交換都通過串口進(jìn)行,系統(tǒng)中采用C8051F020單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。C8051F020除通過串口向MC52i發(fā)送AT命令外,還完成數(shù)據(jù)采集、封裝及遠(yuǎn)程命令解析任務(wù)。同傳統(tǒng)AT89C51相比,C8051F具備多項(xiàng)優(yōu)勢,包括采用CIP-51內(nèi)核大力提升CISC結(jié)構(gòu)運(yùn)行速度、I/O從固定方式到交叉開關(guān)配置、從引腳復(fù)位到多源復(fù)位,以及低功耗等。C8051F單片機(jī)被稱為智能產(chǎn)品高速路上微處理器中的奔馳,其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋三相電度表、電力系統(tǒng)監(jiān)控、智能儀器儀表和醫(yī)療儀器等多種應(yīng)用。
C8051F020內(nèi)部帶有數(shù)據(jù)采集所需的ADC和DAC,其中ADC有兩個,一個是 8 路12位逐次逼近型ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率,最大為100KS/s�？赏ㄟ^多通道選擇器配置為單端輸入或差分輸入,內(nèi)有可編程增益放大器PGA用于將輸入的信號放大,提高 A/D的轉(zhuǎn)換精度。另一個是8路8位ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率最大為500kS/s,可滿足本系統(tǒng)的需要。
此外,C8051F020外設(shè)還增添了三個串行口,可同時與外界進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信,其中的兩個增強(qiáng)型UART串口可應(yīng)用于與GPRS模塊的連接。C8051F020具有基于JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試功能,片內(nèi)的調(diào)試電路通過JTAG接口可提供高速、方便的在系統(tǒng)調(diào)試。根據(jù)上述特點(diǎn),我們采用C8051F020單片機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)終端主控器。
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