基于MC37i的電源無線監測器
2012-04-12 00:00:00姜作喜等
現代電子技術 2012年1期
摘 要：為了實現對某野外測量設備不間斷電源的無線監測，基于GSM模塊MC37i研制了一種電源遠程無線監測器，在軟件中設計了獨特的“虛擬沙漏”，以有效地判斷電源異常事件的發生。試驗表明，電源監測器能夠對該設備不間斷電源進行可靠的遠程無線監測。
關鍵詞：不間斷電源； 無線監測； GSM模塊； 虛擬沙漏
中圖分類號：TN86-34； TP277
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)01-0092-03
Wireless power supply monitor based on MC37i
JIANG Zuo-xi， ZHOU Xi-hua， MI Yao-hui， WANG Peng
(Dept. of Geophysical， China National Land and Resource Airborne Geophysical and Remote Sensing Center， Beijing 100083， China)
Abstract：
A wireless power monitor based on MC37i GSM module was designed for monitoring the uninterruptible power supply of outdoor equipment. A special virtual hourglass in control program was designed to estimate the abnormal power event effectively. The experiment proves that the instrument can perform a reliable wireless remote monitoring on the uninterruptible power supply of the equipment.
Keywords： uninterruptible power supply；wireless monitoring；GSM module；virtual hourglass
收稿日期：2011-08-15
基金項目：國家863計劃重大項目(2006AA06A200)資助;中國國土資源航空物探遙感中心對地觀測技術工程實驗室課題資助
0 引 言
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動通信系統)是目前全球最成熟的數字移動通信標準，它具有保密性和抗干擾性強、容量大、頻率資源利用率高、接口開放、功能強大等優點。我國目前已建成了覆蓋全國的GSM數字蜂窩移動通信網，是我國公眾陸地移動通信網的主要方式[1]。GSM無線網絡特別適合于小數據量的實時傳輸，如在某些行業上的應用：遙測、遙感、遙控、氣象、水文系統收集數據、電網實時監控和維護等等[2]。GSM模塊或GPRS模塊已經成為無線數據傳輸的一種重要選擇，具有十分廣泛的應用前景。
本文利用GSM模塊MC37i配合微控制器C8051F020開發了一種電源無線監測器，對某野外測量設備不間斷電源進行遠程無線監測。
1 硬件設計
某野外測量設備需要不間斷供電，該設備不間斷供電電源主要由逆變器、蓄電池和直流穩壓電源[3]三部分組成，如圖1所示。
圖1 某測量設備不間斷供電電源
需要對不間斷電源的輸入交流電和輸出直流電兩個節點(如圖1所示)的狀態進行監測，以便及時發現并排除故障，保證設備正常供電。
1.1 總體結構
監測器硬件組成原理如圖2所示。
圖2 電源無線監測器原理圖
交流電信號和直流電兩路信號通過接口進入監測器，通過信號采集電路轉換為低壓模擬信號與微控制器模/數轉換模擬開關連接；微控制器通過串口1與GSM模塊進行通信，收發短信息；微控制器通過串口2與上位計算機進行通信，使用串口助手或超級終端等串口軟件可以對監測器進行控制和參數設置；存儲器芯片通過I2C接口[4]與微控制器進行通信，監測器參數存儲于存儲芯片內，可以通過手機或串口對監測器參數進行查看和設置。
1.2 電源電路
監測器利用第一路信號交流電(如圖2所示)作為工作電源。通過益弘泰開關電源模塊YAS2.5-12將交流電轉換為低壓直流電為監測器供電。監測器使用鋰電池組作為備用電源，外接交流電時可以為鋰電池組充電，當失去交流電時，鋰電池將為監測器供電，確保將報警短信發送到工作人員手機。鋰電池組電壓為7.4 V，容量1 500 mAh，監測器在只利用鋰電池組供電的情況下可以連續工作10 h。
1.3 信號采集電路
第一路輸入不間斷電源的交流電通過電流互感器[5]TVA1421轉換為小電流交流電，再經過橋式整流、π型濾波處理和取樣電阻得到紋波低于0.1 V的與交流電壓值成比例關系的直流低電壓信號，如圖3所示，輸入微控制器進行模/數轉換;第二路直流穩壓電源輸出的直流電經過電壓和電流采樣后從監測器輸出，為測量設備供電，采樣得到的兩路模擬信號經過放大后輸入微控制器進行模/數轉換。
圖3 交流電壓采集電路
1.4 微控制器
監測器采用微控制器C8051F020[6]作為計算和控制的核心。微控制器C8051F020集成了12 b模/數轉換器，轉換速率為100 KSPS，帶有8通道模擬多路開關，利用其中3路對由信號采集電路得到的3路模擬低壓信號進行模/數轉換；C8051F020有兩個UART串行接口，利用串口1與GSM模塊通信，串口2與上位計算機通信(如圖2所示)；C8051F020通過I2C接口與存儲芯片AT24C02[7]連接，AT24C02用于存儲監測器配置參數。
1.5 GSM模塊電路
選用西門子工業級GPRS模塊MC37i[8]作為無線通信模塊，MC37i通過50腳板到板連接器與外界建立通信接口。MC37i模塊外圍電路如圖4所示。
在上電后MC37i為關閉狀態，C8051F020微控制器控制IGT引腳拉低至少100 ms即可開啟MC37i模塊；C8051F020微控制器通過串口1向MC37i發送關機指令“AT^SMSO”可以關閉MC37i模塊，如果MC37i不能正常關閉，還可以通過控制其EGOFF引腳拉低至少10 ms將其強制關機。
圖4 MC37i外圍電路
2 軟件設計
在Silicon Laboratories IDE程序開發環境下使用C51語言完成微控制器C8051F020控制程序的開發，控制程序流程如圖5所示。
圖5 微控制器C8051F020工作流程圖
程序運行首先進行初始化工作，包括程序初始化和MC37i模塊初始化。程序初始化主要進行時鐘、接口、中斷、A/D轉換等配置，從E2PROM存儲器內讀取配置參數，如工作人員手機號碼、信號閾值等；MC37i初始化主要進行短信設置，檢測SIM卡，清理SIM卡內存等。初始化MC37i時設置其收發短信采用Text模式。MC37i模塊發送短信的模式有三種:Block 模式、Text 模式和PDU 模式[9]，Text模式收發純文本短消息，原理簡單，所以選擇Text模式進行短消息的發送。
初始化完成之后進入循環工作狀態。在一個工作循環中依次完成以下幾步工作：A/D轉換、信號值計算和判斷、檢查串口1是否收到字符串、檢查串口2是否收到字符串。
通過模擬多路開關依次選擇交流電壓模擬信號、直流電壓模擬信號、直流電流模擬信號進行12 b的A/D轉換，A/D轉換速率為100 Hz，對A/D轉換結果進行窗口滑動平均處理。
對A/D轉換結果進行計算，得到交流電壓值、直流電壓值和直流電流值，判斷是否在正常值范圍內。程序設計了一種“虛擬沙漏”，以判斷某一異常事件的發生。該“沙漏”分藍色半區和紅色半區，程序初始化時藍色區賦值N，象征沙粒數量，紅色區賦值0，代表空。以交流電斷電事件為例，此事件對應一個“交流電斷電虛擬沙漏”，程序在每一個工作循環檢測交流電壓，當交流電壓低于設定值時，“交流電斷電虛擬沙漏”倒置開始計時，藍色區數值“漏”向紅色區，當交流電壓高于設定值則相反；當紅色區數值達到了N，則認為交流電斷電事件發生，監測器向工作人員發送報警短信；當交流電恢復后，“交流電斷電虛擬沙漏”紅色區的數值則“漏”向藍色區，當藍色區數值達到N后則認為交流電恢復通電事件發生，通過短信向工作人員通報。
C8051F020串口1與MC37i模塊連接，在工作狀態中，每個工作循環檢測串口1是否收到字符串，當串口1接收到MC37i發送的短信提示字符串后，程序通過向MC37i發送AT指令“AT+CMGR=
微控制器C8051F020串口2與上位計算機RS 232串口連接，當串口2收到來自上位機的命令字符串，則執行相應的命令。
3 結 語
以GSM模塊MC37i和微控制器C8051F020為核心開發的電源無線監測器具有操作簡單、穩定可靠、成本低等特點，非常適合于野外測量設備電源的遠程無線監測。該監測器只有一個電源開關，沒有顯示屏和操作按鍵，安裝SIM卡后，通過串口或發送短信進行簡單設置后即可投入工作；獨特設計的“虛擬沙漏”可以可靠地監測電源異常事件的發生，電源異常事件發生后監測器會向工作人員發送報警短信，工作人員也可以向監測器發送短信主動查詢監測器測量值。
目前，該監測器已經通過了測試，現已應用于對某野外測量設備電源的現場監測，為設備穩定工作提供了保障，降低了設備巡檢人員的工作強度，應用效果顯著。該電源監測器有一定的市場應用前景。
參 考 文 獻
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作者簡介：
姜作喜 男，1981年出生，山東煙臺人，碩士，工程師。主要研究領域為地球物理探測儀器研究及計算機應用技術。
