基于GSM 的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田立武，沈曉萍，黨中華

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)分院，浙江嘉興，314036）

0 引言

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器是低壓電網(wǎng)中的重要保護(hù)裝置，在農(nóng)網(wǎng)的智能化改造中對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，可以大大提高工作效率和節(jié)約人力成本。針對(duì)農(nóng)網(wǎng)設(shè)備分布區(qū)域大而散的特點(diǎn)，本文提出了一種基于GSM 的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱檢測系統(tǒng)) 由前端剩余電流動(dòng)作保護(hù)器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、GSM 短信收發(fā)模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端構(gòu)成。一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)連接多臺(tái)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和傳輸控制。

監(jiān)測系統(tǒng)控制用的單片機(jī)選用某公司的MC68HC90JL8產(chǎn)品，檢測連接到的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器狀態(tài)并完成相關(guān)數(shù)據(jù)通信。設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)以短信方式傳送，通過GSM 收發(fā)模塊到移動(dòng)終端或監(jiān)控計(jì)算機(jī)上。

短信收發(fā)模塊選用某公司的 G100 型號(hào)產(chǎn)品，集成了關(guān)鍵的GSM 模塊TC35i 以及模塊的射頻處理電路、SIM 卡槽和MCU 微處理器單元，利用 RS232 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸。

1 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器作為系統(tǒng)前端，安裝在各個(gè)低壓電網(wǎng)控制箱內(nèi)，自動(dòng)監(jiān)測用電線路的狀態(tài)數(shù)據(jù)（包括負(fù)載電壓/負(fù)載電流/ 漏電電流等）。當(dāng)用電線路發(fā)生過載、短路、缺相、過壓、欠壓或剩余電流故障跳閘情況時(shí)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器就會(huì)通過核心單片機(jī)控制系統(tǒng)和GSM 短信收發(fā)模塊向移動(dòng)終端或監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送短信，主要內(nèi)容包括告警地點(diǎn)、告警線路、告警原因、告警數(shù)值等狀態(tài)數(shù)據(jù)。管理人員就可以據(jù)此及時(shí)掌握故障信息，迅速采取措施，保證正常供電。

在整個(gè)系統(tǒng)工作過程中，單片機(jī)控制系統(tǒng)不但對(duì)保護(hù)器狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)用電線路的狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，能夠自動(dòng)將告警信息發(fā)送到管理平臺(tái)和移動(dòng)終端上。同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)還可接收管理人員的指令進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到短信形式的指令后，也能實(shí)時(shí)采集剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)參數(shù)，并回傳給監(jiān)控平臺(tái)和移動(dòng)終端，供管理人員分析和統(tǒng)計(jì)。

在管理平臺(tái)上，監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過收集到的各個(gè)用電線路剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的狀態(tài)信息與數(shù)據(jù)參數(shù)，基于已有的比對(duì)數(shù)據(jù)，對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并且能以輸出報(bào)表的形式為管理部門決策提供有效的參考信息。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)采用有比較優(yōu)勢的功能模塊化設(shè)計(jì)，主要可分為單片機(jī)控制系統(tǒng)與通信模塊設(shè)計(jì)；其中單片機(jī)控制系統(tǒng)與通信部分設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)與通信模塊主要由核心單片機(jī)、電源處理電路、鍵盤輸入電路、信號(hào)處理電路、液晶顯示電路、GSM 收發(fā)模塊等單元構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊和外部連接結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)實(shí)地調(diào)研分析，一般情況下連接在同一低壓電網(wǎng)變壓器上的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器基本布局在同一配電柜中，安裝的保護(hù)器的數(shù)量相對(duì)較少，并且相互安裝之間距離較近，這是在低壓電網(wǎng)中剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的安裝特點(diǎn)。針對(duì)其特點(diǎn)本系統(tǒng)中剩余電流動(dòng)作保護(hù)器與單片機(jī)控制系統(tǒng)的連接采用 TTL 電平直接方式，同時(shí)滿足每個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)可以連接控制4個(gè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。

單片機(jī)控制系統(tǒng)和GSM 收發(fā)模塊的供電主要采用AC220V 輸入經(jīng)過變壓、整流、濾波后來供給其使用；剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的編號(hào)由單片機(jī)控制系統(tǒng)的通訊接口編碼來決定；按鍵輸入部分采用 4*4 行列掃描查詢的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和相應(yīng)字符命令的輸入；顯示單元部分采用點(diǎn)陣顯示液晶，既能顯示按鍵輸入對(duì)應(yīng)中文信息，也在收發(fā)短信、收發(fā)模塊初始化和工作失常狀態(tài)下顯示相應(yīng)的告警信息。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主要功能

監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)所控制的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集；

（2）按照規(guī)定格式，實(shí)現(xiàn)收發(fā)模塊之間的雙向通信；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)的分析、處理、編碼工作，并生成數(shù)據(jù)幀，再通過GSM 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)和移動(dòng)終端上；

（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的短信的解碼、分析、處理，將控制命令作用于剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，使之完成相應(yīng)的動(dòng)作；

（5）此外，可以靈活實(shí)現(xiàn)利用按鍵來設(shè)置或更改要發(fā)送的手機(jī)號(hào)碼，同時(shí)在液晶單元上顯示相關(guān)信息；

（6）將剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的各種故障顯示在液晶單元上。

3.2 主要功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)所連接的多臺(tái)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。剩余電流動(dòng)作保護(hù)器本身會(huì)在線路上有欠壓、過壓、短路、漏電流過大等故障發(fā)生時(shí)有相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，現(xiàn)在，單片機(jī)要對(duì)這類故障信息做到即時(shí)的采集，并做出相應(yīng)的識(shí)別、處理，以判斷出發(fā)生故障的具體線路和具體的故障類型。后期完成故障信息整合，準(zhǔn)備發(fā)出線路故障告警信息，故障信息內(nèi)容一般包括發(fā)生故障的地點(diǎn)，線路和具體的時(shí)間等。圖2 為數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖。

圖2 數(shù)據(jù)采集部分程序流程圖

3.2.2 TC35i 模塊初始化

監(jiān)測系統(tǒng)軟件的另一主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠雙向通信傳輸。一是能準(zhǔn)確地把線路的具體告警信息及時(shí)發(fā)送給計(jì)算機(jī)管理平臺(tái)或移動(dòng)終端上，一線管理人員可以實(shí)時(shí)掌握線路的運(yùn)行狀態(tài)；二是能實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的查詢，在管理人員發(fā)送的查詢請求信息傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)完成相應(yīng)的查詢?nèi)蝿?wù)并把獲得的信息重新發(fā)送回管理人員。

數(shù)據(jù)通信部分的軟件設(shè)計(jì)主要包括 TC35i 模塊的初始化、接口定義、對(duì)短信的編碼格式設(shè)定以及與單片機(jī)的通信等內(nèi)容。

監(jiān)測系統(tǒng)中TC35i 模塊初始化過程為：

（1）發(fā)送握手信號(hào)（3個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)），也就是指令A(yù)T ；

（2）發(fā)送指令A(yù)T+IPR=9600，設(shè)置串口通信波特率為9600HZ；

（3）發(fā)送指令A(yù)T+CSCA=+8613800573500，設(shè)置短信服務(wù)中心號(hào)碼；

（4）發(fā)送指令A(yù)T+CNMI=2,1，設(shè)置短信的工作模式；

（5）發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=0，短信發(fā)送采用PDU 編碼模式。

從以上分析可以看出，TC35i 模塊初始化時(shí)，通過發(fā)送一系列的AT 指令就可以完成工作方式的相關(guān)設(shè)置。

3.2.3 發(fā)送線路告警短信

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在線路故障時(shí)的相關(guān)狀態(tài)信息被單片機(jī)采集并處理編輯，具體內(nèi)容包括故障位置、線路標(biāo)號(hào)、采集時(shí)間，最后通過TC35i 模塊將短信發(fā)送給管理平臺(tái)。管理平臺(tái)如果成功接收短信，系統(tǒng)能自動(dòng)返回“OK”信息，提示告警短信發(fā)送成功；相反，短信如果發(fā)送失敗，系統(tǒng)能在短暫延時(shí)后重發(fā)信息，以保證故障報(bào)警信息的成功接收。

3.2.4 系統(tǒng)接收查詢短信

要使系統(tǒng)能接收短信，先要在TC35i 初始化過程中設(shè)置系統(tǒng)工作方式為可以接收短信。處理流程是，管理人員可以實(shí)現(xiàn)通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)終端發(fā)送規(guī)定格式的查詢請求短信，請求短信通過TC35i 模塊經(jīng)過GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸給中心控制系統(tǒng)，單片機(jī)成功接收信息后經(jīng)過信息解碼、讀取、識(shí)別、判斷等處理，對(duì)查詢信息的正確性進(jìn)行判斷。如果是的正確查詢信息，單片機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行查詢請求并將查詢結(jié)果以短信的形式回傳給管理人員；如果是錯(cuò)誤的查詢請求，系統(tǒng)不予執(zhí)行，并返回“ERROR”警告信息進(jìn)行提示。

管理人員發(fā)送的查詢信息的格式規(guī)定為：線路編號(hào)+ 剩余電流動(dòng)作保護(hù)器編號(hào)。

3.2.5 液晶顯示模塊

該部分主要針對(duì)選取的 LCM12864 點(diǎn)陣液晶顯示模塊進(jìn)行編程。LCM12864 點(diǎn)陣液晶顯示模塊的優(yōu)勢在于內(nèi)置行列驅(qū)動(dòng)控制模塊，有專門的液晶模塊指令集，模塊的指令比較簡潔，包括顯示開關(guān)指令，顯示起始行控制命令，頁設(shè)置命令，列地址設(shè)置指令，讀狀態(tài)指令，寫狀態(tài)指令和讀數(shù)據(jù)指令。通過編程，最終實(shí)現(xiàn) 128 點(diǎn)*64 點(diǎn)大小的平板顯示。

3.2.6 鍵盤輸入設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇矩陣式鍵盤，為單片機(jī)系統(tǒng)節(jié)省了I/O口資源，采用掃描法來進(jìn)行行列鍵盤的掃描來獲取鍵盤輸入的鍵值。具體程序?qū)崿F(xiàn)流程如下：

（1）第一步判斷是否有按鍵按下。先向行掃描口輸出全零掃描碼，再從列檢測口開始檢測信號(hào)，只要有信號(hào)不為“1”，就表示有鍵被按下，并判斷按下鍵所在的列。

（2）第二步查詢按鍵所在的行和列的位置。第一步已經(jīng)得到了按下鍵所在的列號(hào)，下來只要確定按鍵所在行。即采取的是逐行掃描的方法，進(jìn)行逐行檢測，直到找到按下鍵所在的行。

（3）第三步對(duì)以上獲得的行號(hào)和列號(hào)進(jìn)行譯碼就能得到具體的鍵值。

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

經(jīng)過前期的局部仿真和后期多次實(shí)體試驗(yàn)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定全部功能并正常工作：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或故障信息可GSM 網(wǎng)絡(luò)可靠發(fā)到計(jì)算機(jī)平臺(tái)和移動(dòng)終端上；對(duì)于管理人員的查詢請求能做到即時(shí)準(zhǔn)確回復(fù)；管理人員也可以通過鍵盤更改手機(jī)號(hào)碼，在LCD 顯示相關(guān)信息。該系統(tǒng)完成軟硬件開發(fā)、調(diào)試后，經(jīng)過測試，所有功能和性能指標(biāo)均達(dá)到系統(tǒng)功能要求。

監(jiān)測系統(tǒng)通過GSM 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，可以覆蓋整個(gè)線路上的保護(hù)器，無線通信方式可以使其不受安裝地點(diǎn)的限制。在實(shí)際應(yīng)用中，本監(jiān)測系統(tǒng)簡潔、實(shí)用、性價(jià)比較高。在設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮到現(xiàn)階段對(duì)成本、可靠性等因素的要求，但隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，采用更為先進(jìn)的3G 網(wǎng)絡(luò)或是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在較大供電范圍內(nèi)，對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)管理，處理的數(shù)據(jù)量可以更大，管理起來也更加方便，應(yīng)用層面可以更智能化。

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