唐 杰，敖少鵬，袁文俊，林沛斐，汪 洋

(1.華南理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510405；3.中國工商銀行股份有限公司 軟件開發(fā)中心，廣東 廣州 510000)

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，其帶來的價(jià)值對人們的日常生活無可估量。一次次的實(shí)踐證明，移動(dòng)通信往往有著更高的可行性，帶來更多的便利。遠(yuǎn)程控制作為其中的重要應(yīng)用之一，被廣泛用于現(xiàn)今的生活與生產(chǎn)中。如設(shè)備的分散或者置于偏遠(yuǎn)地區(qū)的有限控制網(wǎng)絡(luò)，所耗費(fèi)的人力物力大都可以用遠(yuǎn)程控制來大大減少。通過手機(jī)和全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile communications, GSM)模塊、通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service， GPRS)模塊的短信通信來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸與控制，可大幅度減低成本以及提高效率。±500 kV牛從甲乙直流線路共用接地極極址，每次直流線路單極線路停電檢修或從西站做實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要線路班組配合拉合位于韶關(guān)市翁源縣的接地極極址刀閘，每次拉合刀閘的時(shí)間基本都在凌晨。為了拉合一次3分鐘的刀閘，班組人員需要提前到翁源縣住宿，準(zhǔn)備時(shí)間長，工作效率低。偶爾接到站內(nèi)臨時(shí)電話需要緊急拉合刀閘時(shí)，班組人員需要從增城出發(fā)，夜間連續(xù)來回行車6小時(shí)，在高速路上奔襲374公里，浪費(fèi)了大量人力物力。目前，國內(nèi)外直流線路接地極運(yùn)維單位較少，接地極極址位于直流線路兩端，接地極極址運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)更少，對于接地極刀閘遠(yuǎn)程操作裝置尚未有報(bào)道使用。針對當(dāng)前狀況，準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一款遠(yuǎn)程控制裝置來實(shí)現(xiàn)刀閘的拉合?？紤]到地址位于較為偏遠(yuǎn)地區(qū)，決定采用通信范圍更加廣泛的GSM通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。由于刀閘開合對于轉(zhuǎn)動(dòng)角度有著很高要求，力矩較大但轉(zhuǎn)速低，故采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的力矩輸出[1]。

筆者基于短信息的步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合相關(guān)控制理論，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建基于STM32單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)最小控制系統(tǒng)并接入GSM通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因此，研究課題具備一定的實(shí)際價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 整體系統(tǒng)框架

圖1 系統(tǒng)整體框架

基于短信息的步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)、TB67S109A步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器、Web服務(wù)器和GSM模塊SIM800c構(gòu)建一開環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和遠(yuǎn)程控制[2-5]。用戶終端和上位機(jī)間采用串口通信，上位機(jī)和服務(wù)器間采用Internet通信，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)分析，系統(tǒng)分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)的主體是由單片機(jī)、GSM模塊SIM800c、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成；遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)是由單片機(jī)最小系統(tǒng)、GSM模塊SIM800c和上位機(jī)組成的用戶終端為主導(dǎo)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算和GSM通信功能。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制功能實(shí)際上是利用輸入的脈沖對電機(jī)的啟動(dòng)和停止、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)串口通信、電機(jī)控制和GSM通信功能，其中串口通信功能是上位機(jī)通過串口向下與終端的單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行通信。電機(jī)控制主要通過轉(zhuǎn)發(fā)用戶的控制命令，實(shí)現(xiàn)包括步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)/停止、加速/減速和變向等功能。

在工程應(yīng)用中，如何選擇主控芯片是一門很大的學(xué)問。主控芯片的選擇決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。一般地，選取一款主控芯片需要考慮的問題如下：

(1)數(shù)據(jù)處理能力水平是否滿足要求；

(2)片上外設(shè)數(shù)量以及存儲(chǔ)容量；

(3)技術(shù)資料是否豐富；

(4)功耗是否足夠低；

(5)價(jià)格是否昂貴，整體性價(jià)比高低。

綜合考慮，課題選用ARM生產(chǎn)的STM32F103作為主控芯片。該芯片采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，較小的功耗、優(yōu)質(zhì)的性能令它十分受市場青睞。F103屬于增強(qiáng)型系列，21個(gè)輸入通道可以高效快速地轉(zhuǎn)換多個(gè)電壓模擬量，能夠高效地運(yùn)行程序完成相應(yīng)的任務(wù)；其內(nèi)部集成有多種通信接口，豐富的外設(shè)接口和大存儲(chǔ)容量帶來了更為全面的功能。基于以上性能，該芯片可用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能設(shè)備、應(yīng)用控制等場合；同時(shí)，STM32F103系列開源資料豐富，縮減了開發(fā)周期，十分適用于本課題。

在通信方面選用的是工業(yè)級GSM/GPRS模塊，具體型號為SIM800c，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、短信息業(yè)務(wù)(Short Message Service,SMS)、藍(lán)牙數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)裙δ?，支?V～24V超寬電壓工作范圍。通過AT指令實(shí)現(xiàn)手機(jī)和微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)的通信，可以很好地滿足設(shè)計(jì)的要求。

在輸出方面選用57步進(jìn)電機(jī)57BYG250B來進(jìn)行系統(tǒng)的仿真和模擬。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用共陰極接法，外接系統(tǒng)電源[6]。電源系統(tǒng)采用太陽能供電系統(tǒng)，平時(shí)待命時(shí)期將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池，應(yīng)用場景(接地極極址刀閘)一般為未通電，利用太陽能及蓄電池組為系統(tǒng)供電。

用戶通過用戶端(手機(jī)或電腦)進(jìn)行系統(tǒng)身份的注冊和驗(yàn)證。完成登錄驗(yàn)證后，發(fā)送控制指令給GSM通信模塊，GSM通信模塊讀取控制信息后傳輸給MCU微型控制單元(若休眠中則喚醒)，MCU微型控制單元再根據(jù)接收的信號進(jìn)行判斷處理，然后由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號[7-9]。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電以后完成了對 STM32F103 和 SIM800c 的初始化工作，并向用戶端發(fā)送指令格式短信之后等待回應(yīng)，接收合法短信后便會(huì)根據(jù)指令改變輸出電機(jī)的狀態(tài)，來控制電機(jī)的脫機(jī)狀態(tài)和轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)等，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩實(shí)現(xiàn)刀閘的遠(yuǎn)程拉合操作。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

2.2 通信模塊的實(shí)現(xiàn)

通過向SIM800c芯片寫入不同的AT指令，每個(gè)AT指令以“AT+”開始，以回車結(jié)尾。

下面為常用的AT指令：

AT+CMGF=1; 采用文本模式

ATD+電話號碼； 撥打電話

ATH+回車； 掛斷電話

AT+CMGS=電話號碼； 發(fā)送短信

STM32單片機(jī)不斷地對GSM通信模塊進(jìn)行查詢，當(dāng)有新短信收到時(shí)，返回：+CMTI，并通過指針將短信的存儲(chǔ)位置在返回?cái)?shù)據(jù)里查找出來，返回短信存儲(chǔ)位置，以便讀取。如果接收到新短信，則直接發(fā)送AT+CNGR=<存儲(chǔ)位置>，便可實(shí)現(xiàn)短信的讀取。

發(fā)送短信時(shí)，由于中英文字符編碼的不同，需要將中文短信和英文短信分開進(jìn)行處理：對于全英文的情況，只需要使用GSM的缺省字符集；若含有中文字符，則需使用UNICODE字符集；最后發(fā)送：1A，完成短信的發(fā)送環(huán)節(jié)。

在收發(fā)短信的過程中，由于涉及到GBK字符集和UNICODE字符集的轉(zhuǎn)化，故而設(shè)計(jì)了函數(shù)ff_convert進(jìn)行GBK編碼和UNICODE編碼的相互轉(zhuǎn)換，由于兩者之間沒有線性的關(guān)系，所以需要通過查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該函數(shù)采用二分法的思想：首先，若字符小于0x80(在ASCII碼碼值范圍內(nèi))，就將它當(dāng)作ASCII碼，不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換；否則，根據(jù)二分法確定中點(diǎn)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的大小對半分開，再分為每4個(gè)字節(jié)為一組，進(jìn)行16次的二分，在表中查找相對應(yīng)的編碼。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)是一種數(shù)字信號控制電機(jī)，它的運(yùn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別與輸入脈沖的通電順序、頻率和數(shù)量有關(guān)[10-11]。

設(shè)計(jì)中采用的驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)為32。下面以細(xì)分?jǐn)?shù)為32為例，定義變量pulse_count，它記錄的是引腳電平翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，可以通過它來記錄輸出脈沖信號的數(shù)量，其值應(yīng)為輸出脈沖數(shù)的兩倍。實(shí)際輸出的完整脈沖個(gè)數(shù)為6400。這樣可以方便地記錄和控制步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，通過改變pulse_count的值，即改變引腳電平翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的控制輸出。

在該設(shè)計(jì)中，通過dir和ena分別定義當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和脫機(jī)使能情況；由變量Toggle_Pulse定義了定時(shí)器通道脈沖數(shù)計(jì)數(shù)，該值決定了輸出的脈沖頻率；pulse_count記錄輸出脈沖數(shù)量，每過一個(gè)完整的脈沖該值增加2，因?yàn)橐_翻轉(zhuǎn)兩次才是完整的脈沖信號。

在定時(shí)器計(jì)數(shù)器值與捕獲比較計(jì)時(shí)器值相等時(shí)發(fā)生中斷，調(diào)用下面的函數(shù)：

void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){

_IO uint16_t count;

count=_HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx_STEPMOTOR);

_HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx_STEPMOTOR,TIM_CHANNEL_1,count+Toggle_Pulse);

pulse_count++;

}

其中，_HAL_TIM_GETCOUNTER用于獲取當(dāng)前定時(shí)器計(jì)數(shù)值，并放在count中；_HAL_TIM_SET_COMPARE用于設(shè)置定時(shí)器通道比較值，這里用count和Toggle_Paulse之和賦給它。

最終效果是定時(shí)器通道引腳持續(xù)輸出脈沖信號，周期為2×Toggle_Paulse，即改變Toggle_Paulse可以便捷地改變產(chǎn)生的脈沖信號的頻率。

2.4 用戶終端實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)為基于短信息的步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，選取包含單片機(jī)最小的系統(tǒng)、GSM通信模塊和上位機(jī)的用戶終端作為系統(tǒng)人機(jī)交互的窗口。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際，用戶終端至少應(yīng)具備以下功能：

(1)串口通信功能。上位機(jī)與單片機(jī)最小系統(tǒng)之間通過串口連接，終端軟件需支持訪問串行通信端口(簡稱串口)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。

(2)用戶管理功能。包括用戶身份信息的驗(yàn)證和權(quán)限管理。

(3)電機(jī)遠(yuǎn)程控制。主要包括步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制功能和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息獲取功能。其中電機(jī)遠(yuǎn)程控制功能主要通過轉(zhuǎn)發(fā)用戶對電機(jī)的控制命令加以實(shí)現(xiàn)；電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息的獲取是實(shí)現(xiàn)接收電機(jī)反饋的信息，主要有電機(jī)的啟停信息、位置速率和方向狀態(tài)[12-14]。

設(shè)計(jì)前端使用ejs模板引擎開發(fā)，通過jquery發(fā)起ajax請求與后端的node.js進(jìn)行交互。通過使用serialport庫對底層的串口進(jìn)行調(diào)用，完成串口的打開、關(guān)閉和串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖3 用戶終端界面截圖

3 系統(tǒng)測試及分析

系統(tǒng)按上述準(zhǔn)備部署成功后，對系統(tǒng)功能進(jìn)行相關(guān)測試。通過在主控制界面點(diǎn)擊電機(jī)的啟動(dòng)、停止、變向、加減速按鍵，查看主控制頁面返回的電機(jī)狀態(tài)信息(上位機(jī))和現(xiàn)場端硬件平臺(tái)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息(下位機(jī))。其測試結(jié)果如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)測試結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果，步進(jìn)電機(jī)的啟停、變向及變速均達(dá)到預(yù)期效果，測試所得效果良好，遠(yuǎn)程電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)與控制狀態(tài)一致，能達(dá)到步進(jìn)電機(jī)遠(yuǎn)程控制的要求。實(shí)際測試過程中還發(fā)現(xiàn)使用SMS短信息進(jìn)行通信存在1～2 s的延遲，這是由于SMS短信息本身的特性決定的。

4 結(jié)束語

采用上述方法開發(fā)的基于GSM遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過短信息來實(shí)現(xiàn)開關(guān)的控制和狀態(tài)的反饋?zhàn)x取，操作簡單方便，對于操作環(huán)境和操作者的要求不高，需要時(shí)可以很容易訪問。指令以短信形式發(fā)送到微控制器，只要存在有效的GSM網(wǎng)絡(luò)即可進(jìn)行相關(guān)的操作，而且控制器信號穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程控制，時(shí)空限制小。控制器適應(yīng)各種工作環(huán)境，通過短信這一無線傳輸形式來實(shí)現(xiàn)信息的交互可以很好解決人工布線的難題，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩代替人工手搖，實(shí)現(xiàn)極址刀閘的自動(dòng)拉合，可代替人工操作，實(shí)現(xiàn)了無人值守后的最大優(yōu)化。在接下來的工作中，我們將繼續(xù)利用深度學(xué)習(xí)的相關(guān)理論對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)性能和減少人工勞力。