王祥傲， 汪先兵

(滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

隨著智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速推進(jìn)和微處理器技術(shù)的不斷進(jìn)步[1]，在低壓斷路器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外廠商的研究重點(diǎn)是集多種功能于一體的智能型開(kāi)關(guān)設(shè)備，其具有監(jiān)測(cè)、保護(hù)、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(wǎng)絡(luò)化、產(chǎn)品模塊化和通用化的方向發(fā)展[4-5]。

在智能供配電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸一般采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線的有線傳輸方式。在野外或不便于鋪設(shè)線纜的地方，有線傳輸方式則受到了限制，而無(wú)線通信技術(shù)則可以克服上述缺點(diǎn)。GPRS作為一種成熟的無(wú)線通信技術(shù)，具有接入迅速、數(shù)據(jù)傳輸速度快和按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)[6-7]，在低壓斷路器中的應(yīng)用研究也逐漸得到廠商及客戶的重視[8]。

本設(shè)計(jì)提出將無(wú)線GPRS通信技術(shù)應(yīng)用于智能型低壓斷路器，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、保護(hù)和控制[9-10]，操作人員只需一部可以接入Internet的電腦或開(kāi)通GPRS的手機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)智能型斷路器的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而為無(wú)人值守的工業(yè)監(jiān)控提供更優(yōu)的手段。

1 GPRS通信的智能型斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能型低壓斷路器由斷路器本體和遠(yuǎn)程通信單元構(gòu)成。遠(yuǎn)程通信單元由四個(gè)功能模塊組成，即：現(xiàn)場(chǎng)通信模塊、微控制器模塊、GPRS模塊和電源模塊。微控制器經(jīng)串口控制現(xiàn)場(chǎng)通信模塊和GPRS模塊的工作。SIM900模塊實(shí)現(xiàn)了GPRS/GSM物理層傳輸協(xié)議，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，配合32位嵌入式微處理器，實(shí)現(xiàn)PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和SOCKET標(biāo)準(zhǔn)，提供全透明數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)備能夠隨時(shí)隨地通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet連接公網(wǎng)上的監(jiān)控主站或通過(guò)手機(jī)短信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。連接現(xiàn)場(chǎng)低壓斷路器的GPRS模塊配備SIM卡。發(fā)送過(guò)程：低壓斷路器上傳各種數(shù)據(jù)信息，由微處理器將這些數(shù)據(jù)信息打包封裝，通過(guò)GPRS模塊無(wú)線發(fā)送給用戶中心手機(jī)。接收過(guò)程：GPRS模塊將接收來(lái)的各種數(shù)據(jù)信息和命令格式，由微處理器解包處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓斷路器的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制。該硬件通信結(jié)構(gòu)中，監(jiān)控主站和用戶中心手機(jī)發(fā)送或接收的命令格式依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行傳輸。如圖1所示為智能型低壓斷路器結(jié)構(gòu)原理框圖。

圖1 智能型低壓斷路器GPRS數(shù)據(jù)終端結(jié)構(gòu)原理框圖

2 智能型低壓斷路器的GPRS通信單元硬件設(shè)計(jì)

2.1 SIM900的GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選取SIMCOM公司內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)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(fā)射時(shí)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，此時(shí)電流的峰值最高會(huì)達(dá)到2 A以上，因此電源供電能力盡可能達(dá)到2 A，VBAT引腳需接大電容EC5，提高輸出能力。系統(tǒng)工作時(shí)，MSP430F5438A微處理器先控制SIM900進(jìn)行通信模式的選擇(短信模式或TCP模式)，之后根據(jù)用戶指令執(zhí)行相應(yīng)功能。通過(guò)PWRKEY引腳實(shí)現(xiàn)SIM900模塊的開(kāi)關(guān)機(jī)設(shè)計(jì)及時(shí)序。DTR引腳控制模塊進(jìn)入/退出sleep模式，模塊開(kāi)機(jī)前，微處理器端工作，客戶端通過(guò)IO將模塊DTR引腳直接拉低，待模塊開(kāi)機(jī)后將DTR引腳拉高，進(jìn)入sleep模式。CTS透?jìng)鳡顟B(tài)下作為硬件流控使用，在透?jìng)髂Ｊ较?，模塊完全處于數(shù)據(jù)態(tài)，模塊內(nèi)部buffer有8K的空間，正常情況下CTS引腳為低電平，如果buffer內(nèi)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

SIM卡具有微處理器芯片，故需要供電、復(fù)位、時(shí)鐘等外圍電路。SIM900內(nèi)部具有電壓穩(wěn)壓器，可以向SIM卡提供電源和時(shí)鐘信號(hào)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(fù)位信號(hào)，SIM_CLK引腳提供時(shí)鐘信號(hào)，SIM卡通過(guò)SIM_DATA引腳發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。SIM卡模塊支持1.8 V/3 V的SIM卡。SIM卡供電根據(jù)SIM卡類型自動(dòng)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(qiáng)SIM卡部分的可靠性，SIM卡引腳連接電容EC6，以穩(wěn)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(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)短信GPRS通信軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行短信無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸前，需設(shè)置GPRS模塊中SIM卡的號(hào)碼以及用戶手機(jī)號(hào)碼。當(dāng)用戶手機(jī)發(fā)送采集或控制消息給GPRS通信模塊的SIM卡時(shí)，SIM900模塊在接收到消息后會(huì)通知微控制器讀取消息文本，微控制器將這些數(shù)據(jù)讀入，采用了中斷觸發(fā)的方式處理智能型低壓斷路器的數(shù)據(jù)，并設(shè)置了一個(gè)接收隊(duì)列暫存這些數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP包，再封裝為PPP包，在數(shù)據(jù)打包處理過(guò)程中，如果檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，將進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送緩存處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)放進(jìn)發(fā)送隊(duì)列等待發(fā)送。當(dāng)重新檢測(cè)到信號(hào)連接正常，經(jīng)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊，使用AT命令控制SIM900通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與用戶中心手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，微處理器與GPRS模塊利用RS232串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與程序下載。手機(jī)短信GPRS通信流程如圖4所示。

圖4 手機(jī)短信GPRS通信流程圖

3.2 Internet網(wǎng)絡(luò)的GPRS通信設(shè)計(jì)

無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換前，由于GPRS模塊每次獲得的動(dòng)態(tài)IP地址可能不同，因此，一般情況下監(jiān)控主站無(wú)法主動(dòng)與GPRS模塊通信連接。通信結(jié)構(gòu)中需要建立一個(gè)具有固定IP地址的監(jiān)控主站，其IP被固化在GPRS通信模塊內(nèi)。當(dāng)GPRS模塊上電被移動(dòng)中心分配獲得一個(gè)動(dòng)態(tài)IP地址后，GPRS模塊主動(dòng)向固定IP地址的監(jiān)控主站發(fā)出連接申請(qǐng)，獲得連接允許后，監(jiān)控主站和GPRS模塊間始終保持通信連接。當(dāng)出現(xiàn)通信不可靠或失敗時(shí)，GPRS模塊將自動(dòng)斷開(kāi)當(dāng)前連接，復(fù)位后重新申請(qǐng)連接，充分保證通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。

當(dāng)微處理器與GPRS通信模塊上電復(fù)位后，首先對(duì)工作頻率、通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)和移動(dòng)終端類別等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行撥號(hào)和PPP協(xié)商，包括LCP協(xié)商、PAP協(xié)商以及IPCP協(xié)商，得到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)IP、動(dòng)態(tài)網(wǎng)關(guān)和動(dòng)態(tài)DNS，最終完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的Internet網(wǎng)絡(luò)接入。PPP協(xié)議工作流程如圖5所示。

圖5 PPP協(xié)議工作流程圖

GPRS模塊獲得動(dòng)態(tài)IP后，主動(dòng)與監(jiān)控主站連接，連接成功后，與監(jiān)控主站就建立了通信鏈路，隨時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)程為：程序采用中斷觸發(fā)的方式處理智能型斷路器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并設(shè)置一個(gè)接收隊(duì)列暫存這些數(shù)據(jù)。微處理器將這些數(shù)據(jù)讀入，將數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP包，再封裝為PPP包，在數(shù)據(jù)打包處理過(guò)程中，如果檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號(hào)連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，將進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送緩存處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)放進(jìn)發(fā)送隊(duì)列等待發(fā)送。當(dāng)重新檢測(cè)到信號(hào)連接正常，則經(jīng)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊，使用AT命令控制SIM900通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)包接收過(guò)程為：監(jiān)控主站組建智能型斷路器的通信命令幀，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，程序中始終檢測(cè)有無(wú)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達(dá)，如有，則通過(guò)AT命令讀入數(shù)據(jù)，GPRS模塊接收到分組數(shù)據(jù)后處理為TCP/IP包，并根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議對(duì)其解包，微處理器解析出具體的通信命令幀后，通過(guò)串口傳輸給斷路器，斷路器接收命令進(jìn)行處理后并返回響應(yīng)。GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖6所示。

圖6 GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

手機(jī)發(fā)送中英文短信到SIM900模塊上，然后讀取模塊接收的對(duì)應(yīng)短信。對(duì)于中英文短信的讀取，模塊返回的內(nèi)容是UNICODE編碼的組合，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將UNICODE碼轉(zhuǎn)換為漢字或字符。

發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=1，用于設(shè)置文本模式，其次發(fā)送指令A(yù)T+CSMP=17,167,2,25,用于設(shè)置文本模式的參數(shù)，然后發(fā)送指令A(yù)T+CSCS=“UCS2”，用于設(shè)置UCS2編碼字符集。手機(jī)號(hào)為：18255065653，發(fā)送中英文短信內(nèi)容：智能型低壓斷路器的無(wú)線GPRS通信模塊設(shè)計(jì)。首先使用UNICODE轉(zhuǎn)換工具，將手機(jī)號(hào)碼和發(fā)送的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成UNICODE字符串。18255065653轉(zhuǎn)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(wú)線GPRS通信模塊設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)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(fā)送時(shí)需將轉(zhuǎn)換成的UNICODE碼去掉空格。

4 無(wú)線GPRS通信測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由MSP430開(kāi)發(fā)板和GPRS通信模塊組成。將測(cè)試程序燒錄到MSP430并通過(guò)串口連接GPRS通信模塊。通過(guò)手機(jī)短信的通信方式向GPRS模塊上的SIM卡發(fā)送短信(卡號(hào)為18225791862)，查詢和控制斷路器分閘與合閘的運(yùn)行情況以及相關(guān)參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明采用GPRS通信方式可以遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確的控制并查詢智能型低壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。

5 結(jié)論

綜上所述，本文基于SIM900無(wú)線GPRS模塊設(shè)計(jì)了智能型斷路器運(yùn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信單元，由現(xiàn)場(chǎng)通信模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微控制器的處理，將信息傳送至GPRS通信模塊，然后經(jīng)由通信模塊送出數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心或用戶手機(jī)，供管理人員查看及作出相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)斷路器運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信號(hào)以及狀態(tài)指示的檢測(cè)和控制。若管理人員需要控制斷路器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，只需通過(guò)監(jiān)控中心或用戶手機(jī)發(fā)出命令，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至智能型斷路器的GPRS無(wú)線通信模塊，由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作管理，從而實(shí)現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程無(wú)線遙控。將GPRS無(wú)線通信模塊應(yīng)用于一臺(tái)1.14 kV、500 A的智能型斷路器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種具有無(wú)線遠(yuǎn)程GPRS通信功能的智能斷路器可提供全透明數(shù)據(jù)傳輸，用戶無(wú)需關(guān)注復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用串行通信接口就可以進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能夠隨時(shí)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet連接公網(wǎng)上的監(jiān)控主站或通過(guò)手機(jī)短信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。