GSM網絡下的配電房無人值守系統研究

摘要：近年來，GSM網絡被廣泛應用于終端通信中，文中介紹了一種運用GSM網絡實現的配電房無人值守系統。系統以MCU控制單元和GSM模塊為核心，MCU控制單元對一系列安防設備、環境監測模塊以及設備運行狀態檢測模塊進行信號采集并通過自動控制系統實現對設備的自動控制，MCU還負責控制GSM模塊收發短消息以及日常事務信息的保存；GSM模塊通過SMS短消息服務與相關人員通信，實現配電房的無人值守。該系統不僅可以節約人力，還可以提高管理的時效性。

關鍵詞：GSM模塊；短信息；AT命令；無人值守配電房

引言

隨著現代科學技術的不斷發展，各領域提高管理效率、降低管理成本的要求越來越高，尤其像配電房這樣網點多、分布散、日常維護繁瑣的單位。全球移動網絡(GSM)在全球的普及應用為遠程監控帶來了良好的解決途徑，GSM網絡具有覆蓋范圍廣、傳輸信息量大、雙向無線傳輸、支持用戶數多等優點，配電房無人值守系統可以利用這一資源，很好地提高管理效率、降低管理成本。

系統組成及功能原理

系統具體包括負責接收并處理各模塊信息的MCU控制單元、用于收發短消息的GSM模塊、用于防偷盜破壞的安防設備(紅外探頭、門禁讀卡器、門磁、電磁門鎖)、用于維護配電房正常運轉的環境監測模塊(設備狀態檢測、溫濕度檢測)和自動控制系統(控制排風扇及空調)、用于發出聲音警報的蜂鳴器以及指示終端機和配電房當前狀態的LED指示燈等。系統組成示意圖如圖1。

MCU微控制單元

控制單元采用STM32F101xx基本型系列。它使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，內置高速存儲器(高達128k字節的閃存和16k字節的SRAM)，工作頻率為36MHz，CPU能以零等待周期訪問(讀／寫)，豐富的增強型外設和I／O端口聯接到兩條APB總線。所有型號的器件都包含1個12位的ADC和3個通用16位定時器，還包含標準的通信接口：2個I²C、2個SPI和3個USART，設計中可以方便的接入開關信號和刷卡ID號，其2.0V至3.6V的工作電壓能夠滿足MCU和GSM模塊直接相連的需要，而無需電平轉換，一系列的省電模式滿足低功耗應用的需求。

安防設備

紅外探測器

紅外探測器的核心是利用熱釋電傳感器感知人體及其他很多動物發出的紅外線、從而檢測一定范圍內是否有生物存在。這樣一旦有不法分子侵入配電房，或者老鼠等危害設備正常運轉的動物進入配電房，紅外探測器都可以檢測到。為了使用方便，采用無線被動紅外探測器，目前市場上的該類產品有很多，例如郵科公司的充電型無線被動紅外探測器YK－QH816W等。這些探測器內置包含SC2262芯片的無線發射模塊與包含SC2272芯片的無線接收模塊形成收發對，SC2262完成發射，送出當前的地址編碼和數據位數據。當SC2272的當前地址與SC2262的地址一致、并且接收到2幀以上SC2262發出的串行碼時，SC2272才開始接收數據。為保證SC2272能接收到2幀以上的串行碼，其振蕩頻率要與SC2262的振蕩頻率相匹配、最佳匹配為SC2722的振蕩頻率是SC2622的2倍。這樣MCU就可以接收到紅外探頭的檢測結果，并且在檢測到有生物在配電房內時，控制GSM模塊給注冊用戶發送“房內異常”報警短信息。

門禁系統

門禁系統包括門禁讀卡器、門磁和電磁門鎖。系統中采用的是只讀ID卡的門禁讀卡器，通過UART接口與MCU通信。ID卡刷卡后，讀卡器會將讀取的ID號通過UART發送至MCU，MCU將此卡號與內部EEPROM中存儲的所有有效卡號進行比對以判斷其有效性。若確認卡有效，MCU通過繼電器控制電磁門鎖打開，報警系統自動撤防，此時工作人員才能打開配電房門進入，若在電磁門鎖打開30秒內門未被打開(即無人進入)，則認為工作人員已離開，MCU控制電磁門鎖關閉，回到初始警戒狀態。終端機將刷卡記錄(包括時間、卡號)保存。門打開或關閉時安裝在房門開合處的門磁會輸出不同的信號，將門磁信號接在MCU帶有外部中斷(EXTI)功能的I／O口上，使得門一被打開，MCU就會接收到中斷，MCU接收到中斷后立即判斷，若門磁狀態一直為開，則紅外處于撤防狀態，不報警。若門磁狀態從打開到關閉，蜂鳴器響30秒，若這30秒內不按撤防開關，則紅外將開啟，即進入布防狀態。

工作人員可通過發送短信開門，當GSM模塊接收到“開門”短消息后，MCU同樣判斷其有效性，若為登記用戶發送，則打開電磁門鎖。

在沒有刷卡或者短信開門指令的情況下門被打開，則發送“門錯誤開啟”報警短信息，且蜂鳴器響起直至警情消除，此時配電房內的撤防按鈕不起作用。

環境監測與自動控制

設備狀態檢測

配電房內的設備狀態可通過傳感器轉變為一系列開關量，一旦其中某路信號導通閉合，那么說明某設備運行出現了故障。最多36路開關信號輸入，由于開關量信號較多，因此采用多個并轉串芯片74LS165串接將開關量信號串行接入MCU的SPI接口。一旦檢測到某一路信號為0(即開關量閉合)，則說明對應的設備出現故障，相應的指示燈亮起，并向指定號碼發送“設備故障”報警短信息。

溫濕度檢測及自動控制系統

MCU通過查詢溫濕度模塊可實時監測配電房內溫濕度，MCU分別記錄了溫濕度的上下限，一旦檢測到溫濕度超出設定范圍，則MCU會通過自動控制系統控制空調和排風扇開啟以調節溫濕度，一旦溫濕度重新回到設定范圍，則關閉。

蜂鳴器與指示燈

當檢測到有生物侵入配電房或者配電房門被異常打開，在發送警報短信的同時打開蜂鳴器發出警報聲，起到威嚇作用。

終端機上指示燈用來指示狀態，具體是：電源燈、GSM網絡燈、設備故障、溫度異常、濕度異常。

GSM模塊

GSM模塊采用SIEMENS公司的新一代TC3S模塊，它與GSM phase2／2+兼容、具有雙頻(GSM900／GSM1800)和RS232接口、符合ETSI標準GSM07.07和GSM07.05且易于升級成GPRS模塊，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短信息和傳真提供快速、安全、可靠的傳輸，方便用戶設計應用。TC3S的功能框圖如圖2。

MCU控制單元向GSM模塊發送AT命令完成短消息的發送、讀取。AT指令表如表1。

每個終端機上需設置1個管理中心號碼、最多5個報警號碼(用于接收報警短信)、最多5個控制號碼(可發送“開門”、“查詢設備狀態”等命令)。

工作人員可向終端機發送設置短消息，設置有效門禁卡號及允許與終端機通信的手機號碼。向終端機發送查詢短消息，查詢內容包括設備運行狀態、當前溫濕度等。終端機收到短消息后解析內容，做出相應操作后回復。具體信息種類見表2。

系統軟件設計

系統軟件主要包括短信息收發和安防設備控制程序兩部分。

本系統中由MCU控制GSM模塊實現短信的收發，GSM模塊與MCU之間通過串口直接連接，因此首先要初始化串口，包括設置波特率、數據位數及讀寫串口時間參數等。接下來設置短信息中心號碼和短信息模式，用AT+CSCA=“+86xxxxxxxxxxx”設置短信息中心號碼，如是在南京地區注冊的SIM卡，則命令為AT+CSCA=“+8613800250500”。短信息模式有Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式三種，Block模式需要模塊生產廠家提供驅動支持，目前使用很少，Text模式為純文本格式，僅支持英文短信息，PDU模式支持中英文短信息。本系統中大多為中文信息、因此采用PDU模式，命令為AT+CMGF=0，0。在短信息發送之前要進行短信息的編碼，本系統中主要發送中文信息，因此采用用于發送Unicode字符的UCS2編碼方式。最后發送“AT+CMGS=長度”命令將編碼好的短信息發送給GSM模塊，發送成功則收到“OK”，否則發送失敗。下面給出短消息處理和門禁處理子程序流程如圖3、圖4所示。

結語

實現配電房的無人管理可以定義為：運行管理和安防管理兩個目標。運行管理的目標是：設備運行狀況的檢測，一旦設備出現故障，系統能自動檢測并報發給管理者：安防管理的目標是：配電房出入口及其內設施的安全保護，阻止非法侵入，保護其內的財物不被偷竊，一旦有這種企圖的行為發生，自動將這種狀況及時地報發給管理者。本文研究的系統較好地實現了以上兩個目標，既可節約配電房的日常管理維護成本又可提高管理水平和效率，具有較強的推廣意義。