基于单片机和GPRS的配电变压器远程监测系统设计

　　摘 要:介绍了一种基于C8051F020单片机和MC52i无线通信模块构建的配电变压器远程监测系统,采用单片机实现多通道数据采集,完成帧结构定制,并通过串口实现GPRS模块的控制和信息收发。

　　关键词:配电变压器GPRS远程监测单片机

　　1 引言

　　配电变压器对配电网和用户的用电可靠性、安全性有着直接的影响。为保证配电变压器的安全运行,必须加强配电变压器的运行监视以便及时采取措施,防止事故发生。由于配电变压器安装位置分散,传统的对配电变压器运行监视方法工作量大,安全环境差,实时性差,很多异常情况不能及时发现,造成了事故的发生。建设配电变压器远程监视系统可实现配电变压器的实时监测,提高监测的工作效率和数据准确性,为配电变压器的安全运行提供了有力的保障。配电变压器监测点与远程监控中心间相距可能较远,目前可以利用的通信平台主要有电信、互联网络以及移动通信网络。由于远程数据传输由任务请求而触发,数据量和实时性要求较高,加上一些特殊环境中布线受到影响,宜采用覆盖范围广、免布线的移动通信网络实现远程数据传输。

　　GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务,通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换功能实体,以支持采用分组方式的数据传输,以满足用户利用移动终端接入Internet或其它分组数据网络的需求,其速度最快可达115kbps,已在配电网的远程监测中得到广泛应用[1-3]。文中介绍了一种应用单片机控制的GPRS通信系统,采用基于连接的方式实现监控终端与远程主机的数据传输[4-5],单片机实现数据采集与帧结构定义,并控制GPRS与远程主机通信;远程主机要求连接互联网并配置固定的IP地址,应用VC环境下的WinSock编程方式实现与GPRS终端的通信[6-7]。

　　2 系统结构

　　配电变压器远程监测系统包含监测点数据采集系统、远程通信系统和主站系统。主站系统主要进行整个系统的管理和控制,完成人机交互工作及网络数据链路的建立,实现配电变压器运行参数的计算、分析和故障判别;通信系统进行通信协议转换,完成信息的上送与下发;数据采集系统主要完成前端信号的处理、滤波和信息的采集,其结构如图1所示:

　　主站系统可以是一台通过固定IP地址连接互联网的计算机,也可以是由多台计算机构成的局域网络,通过路由器与互联网连接。为方便GPRS通信终端的连接,路由器的外网IP地址应固定,内部局域网上的计算机在路由器上建立端口映射。GPRS通信终端采用“IP:端口”方式连接监控主站计算机,实现数据的双向传输。通信系统由单片机实现数据采集、通信的管理、通信协议转换及信息传输。文中将对通信终端和远程主机的监控程序设计方法进行详细介绍。

　　3 通信终端设计

　　通信终端完成数据采集和通信控制,其核心是MC52i GPRS通信模块,在单片机控制下实现协议解析和远程连接,并根据主机请求将单片机ADC采集的多通道信息进行数据封装,附加标志码组成信息帧发送到GPRS网络,并通过GPRS网关进入Internet由远程主机接收。

　　3.1 MC52i通信控制方法

　　MC52i是Cinterion公司(原西门子)最新推出的工业级GPRS无线通信模块,MC52i是2波段(900MHz/1800MHz)的gprs模块,内部带有TCP/IP协议栈,目前广泛运用于智能公交、无线数传(DTU)、远程无线抄表等系统应用中,可在-40°C到+80°C的环境下正常工作,功耗低、可靠性高、性价比高。MC52i包括了MC35i、MC39i、TC35i的所有功能,引脚和指令完全兼容MC55/MC56,采用AT命令集实现协议解析和通信连接。MC52i模块支持以下Internet服务:1)Socket Client and Server for TCP,Client for UDP;2)FTP Client;3)HTTP Client;4)SMTP Client;5)POP3 Client。

　　根据MC52i的协议需求,系统采用下面AT命令实现通信连接和信息收发:

　　设置配置文件:

　　AT^sics=0,contype,gprs0;配置文件0,连接方式是GPRS

　　AT^sics=0,user,cms;配置文件0,设置用户名

　　AT^sics=0,passwd,gprs;配置文件0,设置密码

　　AT^sics=0,apn,cmnet;配置文件0,设置APN

　　设置服务平台:

　　at^siss=1,srvType,socket;服务平台1,服务类型为socket

　　at^siss=1,conID,0;服务平台1,使用配置文件0

　　at^siss=1,address,"socktcp://远程主机IP地址:端口号";服务平台1,设置服务器IP地址及端口

　　at^siso=1 ;服务平台1,开始工作

　　上面AT命令如果运行成功,就可以进行数据收发了。在此之前可使用命令at^siso?查看远程连接是否成功,运行该命令后GPRS模块将返回:

　　^SISO:1,"Socket","4","2","0","0","本地IP:端口号","远程IP:端口号"

　　通常若GPRS模块已被分配到本地IP地址,则表明连接成功了,可运用下面AT命令进行数据收发:

　　at^sisw=1,n

　　使用服务平台1发送n字节数据,若GPRS模块响应^SISW:1,n,则可以输出n字节数据,并以回车键结束。若远程有数据传来,GPRS模块会给出提示^SISR:1,1,此时需要发读命令at^sisr=1,m,然后读取数据。若通信完毕,可根据需要使用at^SISC=1命令关闭该服务平台。

　　3.2 C8051F020实现数据采集与通信

　　MC52i的AT命令接收及与终端的数据交换都通过串口进行,系统中采用C8051F020单片机编程实现。C8051F020除通过串口向MC52i发送AT命令外,还完成数据采集、封装及远程命令解析任务。同传统AT89C51相比,C8051F具备多项优势,包括采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度、I/O从固定方式到交叉开关配置、从引脚复位到多源复位,以及低功耗等。C8051F单片机被称为智能产品高速路上微处理器中的奔驰,其应用领域涵盖三相电度表、电力系统监控、智能仪器仪表和医疗仪器等多种应用。

　　C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC,其中ADC有两个,一个是 8 路12位逐次逼近型ADC,可编程转换速率,最大为100KS/s。可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入,内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大,提高 A/D的转换精度。另一个是8路8位ADC,可编程转换速率最大为500kS/s,可满足本系统的需要。

　　此外,C8051F020外设还增添了三个串行口,可同时与外界进行串行数据通信,其中的两个增强型UART串口可应用于与GPRS模块的连接。C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能,片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。根据上述特点,我们采用C8051F020单片机的监测系统终端主控器。