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基于單片機和GPRS的配電變壓器遠程監測系統設計
摘 要:介紹了一種基于C8051F020單片機和MC52i無線通信模塊構建的配電變壓器遠程監測系統,采用單片機實現多通道數據采集,完成幀結構定制,并通過串口實現GPRS模塊的控制和信息收發。
關鍵詞:配電變壓器GPRS遠程監測單片機
1 引言
配電變壓器對配電網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行,必須加強配電變壓器的運行監視以便及時采取措施,防止事故發生。由于配電變壓器安裝位置分散,傳統的對配電變壓器運行監視方法工作量大,安全環境差,實時性差,很多異常情況不能及時發現,造成了事故的發生。建設配電變壓器遠程監視系統可實現配電變壓器的實時監測,提高監測的工作效率和數據準確性,為配電變壓器的安全運行提供了有力的保障。配電變壓器監測點與遠程監控中心間相距可能較遠,目前可以利用的通信平臺主要有電信、互聯網絡以及移動通信網絡。由于遠程數據傳輸由任務請求而觸發,數據量和實時性要求較高,加上一些特殊環境中布線受到影響,宜采用覆蓋范圍廣、免布線的移動通信網絡實現遠程數據傳輸。
GPRS(General Packet Radio Service,通用分組無線業務)是在現有的GSM移動通信系統基礎上發展起來的一種移動分組數據業務,通過在GSM數字移動通信網絡中引入分組交換功能實體,以支持采用分組方式的數據傳輸,以滿足用戶利用移動終端接入Internet或其它分組數據網絡的需求,其速度最快可達115kbps,已在配電網的遠程監測中得到廣泛應用[1-3]。文中介紹了一種應用單片機控制的GPRS通信系統,采用基于連接的方式實現監控終端與遠程主機的數據傳輸[4-5],單片機實現數據采集與幀結構定義,并控制GPRS與遠程主機通信;遠程主機要求連接互聯網并配置固定的IP地址,應用VC環境下的WinSock編程方式實現與GPRS終端的通信[6-7]。
2 系統結構
配電變壓器遠程監測系統包含監測點數據采集系統、遠程通信系統和主站系統。主站系統主要進行整個系統的管理和控制,完成人機交互工作及網絡數據鏈路的建立,實現配電變壓器運行參數的計算、分析和故障判別;通信系統進行通信協議轉換,完成信息的上送與下發;數據采集系統主要完成前端信號的處理、濾波和信息的采集,其結構如圖1所示:
主站系統可以是一臺通過固定IP地址連接互聯網的計算機,也可以是由多臺計算機構成的局域網絡,通過路由器與互聯網連接。為方便GPRS通信終端的連接,路由器的外網IP地址應固定,內部局域網上的計算機在路由器上建立端口映射。GPRS通信終端采用“IP:端口”方式連接監控主站計算機,實現數據的雙向傳輸。通信系統由單片機實現數據采集、通信的管理、通信協議轉換及信息傳輸。文中將對通信終端和遠程主機的監控程序設計方法進行詳細介紹。
3 通信終端設計
通信終端完成數據采集和通信控制,其核心是MC52i GPRS通信模塊,在單片機控制下實現協議解析和遠程連接,并根據主機請求將單片機ADC采集的多通道信息進行數據封裝,附加標志碼組成信息幀發送到GPRS網絡,并通過GPRS網關進入Internet由遠程主機接收。
3.1 MC52i通信控制方法
MC52i是Cinterion公司(原西門子)最新推出的工業級GPRS無線通信模塊,MC52i是2波段(900MHz/1800MHz)的gprs模塊,內部帶有TCP/IP協議棧,目前廣泛運用于智能公交、無線數傳(DTU)、遠程無線抄表等系統應用中,可在-40°C到+80°C的環境下正常工作,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命令集實現協議解析和通信連接。MC52i模塊支持以下Internet服務:1)Socket Client and Server for TCP,Client for UDP;2)FTP Client;3)HTTP Client;4)SMTP Client;5)POP3 Client。
根據MC52i的協議需求,系統采用下面AT命令實現通信連接和信息收發:
設置配置文件:
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,設置用戶名
AT^sics=0,passwd,gprs;配置文件0,設置密碼
AT^sics=0,apn,cmnet;配置文件0,設置APN
設置服務平臺:
at^siss=1,srvType,socket;服務平臺1,服務類型為socket
at^siss=1,conID,0;服務平臺1,使用配置文件0
at^siss=1,address,"socktcp://遠程主機IP地址:端口號";服務平臺1,設置服務器IP地址及端口
at^siso=1 ;服務平臺1,開始工作
上面AT命令如果運行成功,就可以進行數據收發了。在此之前可使用命令at^siso?查看遠程連接是否成功,運行該命令后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,可運用下面AT命令進行數據收發:
at^sisw=1,n
使用服務平臺1發送n字節數據,若GPRS模塊響應^SISW:1,n,則可以輸出n字節數據,并以回車鍵結束。若遠程有數據傳來,GPRS模塊會給出提示^SISR:1,1,此時需要發讀命令at^sisr=1,m,然后讀取數據。若通信完畢,可根據需要使用at^SISC=1命令關閉該服務平臺。
3.2 C8051F020實現數據采集與通信
MC52i的AT命令接收及與終端的數據交換都通過串口進行,系統中采用C8051F020單片機編程實現。C8051F020除通過串口向MC52i發送AT命令外,還完成數據采集、封裝及遠程命令解析任務。同傳統AT89C51相比,C8051F具備多項優勢,包括采用CIP-51內核大力提升CISC結構運行速度、I/O從固定方式到交叉開關配置、從引腳復位到多源復位,以及低功耗等。C8051F單片機被稱為智能產品高速路上微處理器中的奔馳,其應用領域涵蓋三相電度表、電力系統監控、智能儀器儀表和醫療儀器等多種應用。
C8051F020內部帶有數據采集所需的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的轉換精度。另一個是8路8位ADC,可編程轉換速率最大為500kS/s,可滿足本系統的需要。
此外,C8051F020外設還增添了三個串行口,可同時與外界進行串行數據通信,其中的兩個增強型UART串口可應用于與GPRS模塊的連接。C8051F020具有基于JTAG接口的在系統調試功能,片內的調試電路通過JTAG接口可提供高速、方便的在系統調試。根據上述特點,我們采用C8051F020單片機的監測系統終端主控器。
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