基于GSM的電量傳輸與控制系統的設計

張歡鈺，周國平

（南京林業大學 信息科學技術學院，江蘇 南京 210037）

0 引言

電力系統管理技術是在逐步發展中不斷優化和完善的。在電網形成初期，人們不能及時掌握各節點電壓和電流等電力參數。一旦電網發生故障，無法快速獲得故障信息，只能憑經驗進行事故處理，不能迅速恢復供電，這樣會給人們帶來很大的經濟損失。為了盡量減少損失，人們需要及時測量到電網中電壓、電流等電氣量。因此，對電網進行遠程監測和控制是十分必要的。本系統就是通過GSM短信來實時獲得電網的電力參數并實現對電量的遠程傳輸和控制。

1 系統總體結構

系統主要由采集電路部分、電能計量部分、GSM模塊部分、控制模塊部分、顯示部分組成。通過采樣電路對三相交流電壓、電流取樣，然后將采樣信號輸入給電能計量芯片，經過芯片內部處理后，將結果存入到相應寄存器，微處理器通過相關接口將所需參數讀到微處理器內部，并將電壓、電流、功率等電氣參數在液晶屏中顯示，讓用戶可以直觀地觀測到電氣設備的使用情況[1]。最后利用無線網絡通信技術，單片機發出AT命令控制GSM模塊[2]，將各電氣量的數值以短消息形式發送出去，并接收從上位機發回的指令，從而實現電力參數的實時采集、傳輸與控制。基于GSM/GPRS電量遠程傳輸和控制的結構框圖如圖1所示。

圖1 電量遠程傳輸和控制的結構框圖

2 系統硬件設計

基于GSM的電量的傳輸和控制系統主要以STC12C5A60S2單片機作為控制中心，鍵盤和液晶顯示器作為人機交互設備，GSM通信模塊選用西門子公司的MC52i，ATT7022B電能計量芯片用于電量的采集。

2.1 GSM通信模塊部分

無線通信模塊MC52i具有以下優點：（1）使用外接電源，通信接口協議均為RS232，可以直接通過串口RS232與單片機相連；（2）內部帶有 TCP/IP協議棧，功耗低；（3）適用于 900/1 800 MHz雙頻段，支持 GSM/GPRS功能[3]；（4）體積小、可靠性高、性價比高。

MC52i模塊應用范圍廣泛，比如銀行、儲蓄點機房監控，熱力系統實時監控和維護，工業遙感、遙測、遙控信息回報，通信行業遠端無人值守站房監控和遠程維護等[3]。

MC52i模塊中最主要的部分是數據接口電路和SIM卡讀卡電路。MC52i與STC12C5A60S2采用相同的電平供電，所以它們之間相連只需使用3個引腳：TXD、RXD和GND。MC52i模塊與單片機的連接如圖2所示。SIM卡接口不僅支持GSM Phase 1標準功能，也可以支持GSM Phase2+標準功能。它從MC52I模塊內部取電，引腳復位時輸出的是低電平。插入SIM卡時，引腳輸出高電平，系統正常工作。

圖2 GSM與單片機的接線圖

2.2 電能計量芯片與單片機的連接

本系統采用的是ATT7022B電能計量芯片，它是高精度的三相電能專用計量芯片，功能十分強大，可以在三相三線和三相四線制中使用[4]。ATT7022B包含有SPI接口，通過這個通信接口可以十分方便地與單片機進行參數的傳遞。由于電氣量數據采集模塊和控制模塊都是以單片機為控制核心，因此需要選擇具有雙串口功能的單片機，而且由于電能計量芯片ATT7022B支持SPI總線通信[5]，以及考慮到編程指令代碼的兼容性等，最終系統采用了STC12C5A60S2單片機。

電能計量芯片ATT7022B與單片機的SPI通信接口典型接線圖如圖3所示。

圖3 ATT7022B與MCU的典型接線圖

2.3 電力參數采樣電路設計

（1）電壓采樣電路

電壓采樣電路一般來說有兩種方式，一種是用互感器采樣，另一種是電阻分壓采樣。本系統采用的是互感器采樣[6]。ATT7022B芯片內部電壓通道采樣信號范圍是10 mV～1 000 mV，本文選擇0.1 V作為電壓采樣信號，所以當輸入220 V時采樣電壓應該是0.1 V，本系統選擇2 mA/2 mA的電流型電壓互感器，為了確保系統的測量范圍，最終使用了1 mA作為采樣電流的基準值，因此輸入端電阻值為：

輸入端電阻的額定功耗為：

所以選擇阻值為220 kΩ，額定功率為2 W的電阻作為輸入電阻。

輸出采樣電阻值為：

電壓采樣電路如圖4所示。

圖4 電壓采樣電路

（2）電流采樣電路

電流采樣電路使用互感器來對電流進行采樣。芯片內部電流通道采樣信號范圍是1 000 mV到2 mV，本文選擇0.1 V作為電壓采樣信號，使用規格為10 A/5 mA的電流互感器，根據編寫的程序得到輸入1 A時采樣電壓應為0.1 V，所以采樣電阻阻值為：

電流采樣電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

圖5 電流采樣電路

本系統軟件部分分為主程序和中斷程序。主程序中主要實現電力參數（包括電壓、電流、功率等）的計算、LCD1602的顯示、GSM通信部分、通信數據的編解碼處理、繼電器控制、按鍵管理；中斷程序包括定時器中斷、SPI串行中斷和ADC轉換中斷。本系統軟件設計的難點在于GSM通信部分和數據的編解碼處理，下面將著重介紹這兩部分。

3.1 GSM通信部分軟件設計

裝置正常供電后，首先對MC52I模塊進行初始化，初步設置完成之后，檢測在供電前有沒有收到短消息，若沒有收到短消息則將之前采集到的電量信息發送給手機；若收到短消息，則處理并提取短消息內容，然后檢測短信開頭是否是NJFU，若不是則刪除短信，若是則返回相應數據或進行相應操作。MC52I模塊的通信流程如圖6所示。

圖6 MC52I通信流程圖

3.2 發送短消息的軟件設計

單片機STC12C5A60S2通過串口發送AT指令對MC52i模塊進行控制，實現信息的發送和接收，本系統所涉及的AT指令詳見表1[7]。

表1 常用AT指令表

3.3 PDU編碼方原理

短消息的編碼方式一共有3種，分別為：BLOCK模式、TEXT模式和PDU模式。現在，BLOCK模式已經被TEXT和PDU模式所代替。用TEXT模式發送短信雖然簡單，但是只能發送英文短信，所以國內的手機基本上不支持[8]；PDU模式比較復雜，但任何字符集它都能夠使用，因此被全部手機支持[9]。本系統采用的是PDU模式和TEXT模式。PDU模式中選擇的是UCS2編碼[10]。

下面主要是用一個例子來具體介紹PDU的編碼原理：向號碼為1515057036的手機發送一條中文短信“南林歡迎您”，經過轉換后編碼內容為“0011000D9168515 1500763F50008A70A535767976B228FCE60A8”，對照表2來分析這條編碼內容。

表2 短信編碼分析

4 結論

GSM具有傳輸數據可靠、通信范圍廣而且短信業務經濟的特點，是一種較好的遠程無線數據傳輸方式。基于GSM的電量傳輸與控制充分利用了GSM網及SMS短消息服務這一功能在數據傳輸中的優勢，結合STC單片機、GSM模塊MC52I和LCD，實現了將采集到的電力參數在液晶屏中顯示并將顯示的內容以短信的形式發送等功能。系統性能穩定，實用性強，最大程度地保證了電量信息的可靠，實時傳輸，可以得到廣泛的應用。

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[6]劉巖.功率、電量的測量與控制設計[J].中國科技博覽，2009（34）：121.

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