智能型低壓斷路器的GPRS通信模塊設(shè)計

王祥傲， 汪先兵

(滁州學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

隨著智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速推進和微處理器技術(shù)的不斷進步[1]，在低壓斷路器領(lǐng)域，國內(nèi)外廠商的研究重點是集多種功能于一體的智能型開關(guān)設(shè)備，其具有監(jiān)測、保護、故障記錄和通信等功能[2-3]。今后，低壓斷路器將朝著高度智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、產(chǎn)品模塊化和通用化的方向發(fā)展[4-5]。

在智能供配電系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸一般采用基于現(xiàn)場總線的有線傳輸方式。在野外或不便于鋪設(shè)線纜的地方，有線傳輸方式則受到了限制，而無線通信技術(shù)則可以克服上述缺點。GPRS作為一種成熟的無線通信技術(shù)，具有接入迅速、數(shù)據(jù)傳輸速度快和按流量計費等特點[6-7]，在低壓斷路器中的應(yīng)用研究也逐漸得到廠商及客戶的重視[8]。

本設(shè)計提出將無線GPRS通信技術(shù)應(yīng)用于智能型低壓斷路器，實現(xiàn)對斷路器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測、保護和控制[9-10]，操作人員只需一部可以接入Internet的電腦或開通GPRS的手機就能夠?qū)崿F(xiàn)對智能型斷路器的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而為無人值守的工業(yè)監(jiān)控提供更優(yōu)的手段。

1 GPRS通信的智能型斷路器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能型低壓斷路器由斷路器本體和遠(yuǎn)程通信單元構(gòu)成。遠(yuǎn)程通信單元由四個功能模塊組成，即：現(xiàn)場通信模塊、微控制器模塊、GPRS模塊和電源模塊。微控制器經(jīng)串口控制現(xiàn)場通信模塊和GPRS模塊的工作。SIM900模塊實現(xiàn)了GPRS/GSM物理層傳輸協(xié)議，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，配合32位嵌入式微處理器，實現(xiàn)PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和SOCKET標(biāo)準(zhǔn)，提供全透明數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)備能夠隨時隨地通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet連接公網(wǎng)上的監(jiān)控主站或通過手機短信進行數(shù)據(jù)傳輸。連接現(xiàn)場低壓斷路器的GPRS模塊配備SIM卡。發(fā)送過程：低壓斷路器上傳各種數(shù)據(jù)信息，由微處理器將這些數(shù)據(jù)信息打包封裝，通過GPRS模塊無線發(fā)送給用戶中心手機。接收過程：GPRS模塊將接收來的各種數(shù)據(jù)信息和命令格式，由微處理器解包處理，來實現(xiàn)對低壓斷路器的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程控制。該硬件通信結(jié)構(gòu)中，監(jiān)控主站和用戶中心手機發(fā)送或接收的命令格式依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式進行傳輸。如圖1所示為智能型低壓斷路器結(jié)構(gòu)原理框圖。

圖1 智能型低壓斷路器GPRS數(shù)據(jù)終端結(jié)構(gòu)原理框圖

2 智能型低壓斷路器的GPRS通信單元硬件設(shè)計

2.1 SIM900的GPRS通信模塊設(shè)計

本設(shè)計選取SIMCOM公司內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的SIM900芯片。SIM900模塊采用單電源供電，VBAT供電范圍3.2～4.8 V之間，推薦電壓為4 V，模塊射頻發(fā)射時會導(dǎo)致電壓跌落，此時電流的峰值最高會達到2 A以上，因此電源供電能力盡可能達到2 A，VBAT引腳需接大電容EC5，提高輸出能力。系統(tǒng)工作時，MSP430F5438A微處理器先控制SIM900進行通信模式的選擇(短信模式或TCP模式)，之后根據(jù)用戶指令執(zhí)行相應(yīng)功能。通過PWRKEY引腳實現(xiàn)SIM900模塊的開關(guān)機設(shè)計及時序。DTR引腳控制模塊進入/退出sleep模式，模塊開機前，微處理器端工作，客戶端通過IO將模塊DTR引腳直接拉低，待模塊開機后將DTR引腳拉高，進入sleep模式。CTS透傳狀態(tài)下作為硬件流控使用，在透傳模式下，模塊完全處于數(shù)據(jù)態(tài)，模塊內(nèi)部buffer有8K的空間，正常情況下CTS引腳為低電平，如果buffer內(nèi)數(shù)據(jù)大于6 K，模塊CTS引腳置高。圖2為SIM900通信模塊的電路圖。

圖2 SIM900通信模塊電路圖

2.2 GPRS通信模塊的SIM卡接口電路設(shè)計

SIM卡具有微處理器芯片，故需要供電、復(fù)位、時鐘等外圍電路。SIM900內(nèi)部具有電壓穩(wěn)壓器，可以向SIM卡提供電源和時鐘信號等。SIM900與SIM卡的連接電路如圖3所示，SIM_VDD引腳為SIM卡供電，SIM_RST引腳提供復(fù)位信號，SIM_CLK引腳提供時鐘信號，SIM卡通過SIM_DATA引腳發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。SIM卡模塊支持1.8 V/3 V的SIM卡。SIM卡供電根據(jù)SIM卡類型自動選擇輸出電壓，為3±0.3 V或1.8±0.18 V，引腳最大輸出電流能力為10 mA。為了增強SIM卡部分的可靠性，SIM卡引腳連接電容EC6，以穩(wěn)定電源輸出，減小紋波，防止干擾。

圖3 SIM900與SIM卡的連接電路

3 GPRS通信軟件設(shè)計

3.1 手機短信GPRS通信軟件設(shè)計

在進行短信無線數(shù)據(jù)傳輸前，需設(shè)置GPRS模塊中SIM卡的號碼以及用戶手機號碼。當(dāng)用戶手機發(fā)送采集或控制消息給GPRS通信模塊的SIM卡時，SIM900模塊在接收到消息后會通知微控制器讀取消息文本，微控制器將這些數(shù)據(jù)讀入，采用了中斷觸發(fā)的方式處理智能型低壓斷路器的數(shù)據(jù)，并設(shè)置了一個接收隊列暫存這些數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP包，再封裝為PPP包，在數(shù)據(jù)打包處理過程中，如果檢測到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，將進行數(shù)據(jù)發(fā)送緩存處理，同時將數(shù)據(jù)放進發(fā)送隊列等待發(fā)送。當(dāng)重新檢測到信號連接正常，經(jīng)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊，使用AT命令控制SIM900通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與用戶中心手機進行數(shù)據(jù)交互，微處理器與GPRS模塊利用RS232串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與程序下載。手機短信GPRS通信流程如圖4所示。

圖4 手機短信GPRS通信流程圖

3.2 Internet網(wǎng)絡(luò)的GPRS通信設(shè)計

無線GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換前，由于GPRS模塊每次獲得的動態(tài)IP地址可能不同，因此，一般情況下監(jiān)控主站無法主動與GPRS模塊通信連接。通信結(jié)構(gòu)中需要建立一個具有固定IP地址的監(jiān)控主站，其IP被固化在GPRS通信模塊內(nèi)。當(dāng)GPRS模塊上電被移動中心分配獲得一個動態(tài)IP地址后，GPRS模塊主動向固定IP地址的監(jiān)控主站發(fā)出連接申請，獲得連接允許后，監(jiān)控主站和GPRS模塊間始終保持通信連接。當(dāng)出現(xiàn)通信不可靠或失敗時，GPRS模塊將自動斷開當(dāng)前連接，復(fù)位后重新申請連接，充分保證通信的可靠性和實時性。

當(dāng)微處理器與GPRS通信模塊上電復(fù)位后，首先對工作頻率、通信波特率、接入網(wǎng)關(guān)和移動終端類別等參數(shù)進行設(shè)置，然后進行撥號和PPP協(xié)商，包括LCP協(xié)商、PAP協(xié)商以及IPCP協(xié)商，得到系統(tǒng)動態(tài)IP、動態(tài)網(wǎng)關(guān)和動態(tài)DNS，最終完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的Internet網(wǎng)絡(luò)接入。PPP協(xié)議工作流程如圖5所示。

圖5 PPP協(xié)議工作流程圖

GPRS模塊獲得動態(tài)IP后，主動與監(jiān)控主站連接，連接成功后，與監(jiān)控主站就建立了通信鏈路，隨時收發(fā)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包發(fā)送過程為：程序采用中斷觸發(fā)的方式處理智能型斷路器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并設(shè)置一個接收隊列暫存這些數(shù)據(jù)。微處理器將這些數(shù)據(jù)讀入，將數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP包，再封裝為PPP包，在數(shù)據(jù)打包處理過程中，如果檢測到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信號連接不暢通，或者不是GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)，將進行數(shù)據(jù)發(fā)送緩存處理，同時將數(shù)據(jù)放進發(fā)送隊列等待發(fā)送。當(dāng)重新檢測到信號連接正常，則經(jīng)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊，使用AT命令控制SIM900通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主站進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)包接收過程為：監(jiān)控主站組建智能型斷路器的通信命令幀，通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，程序中始終檢測有無GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到達，如有，則通過AT命令讀入數(shù)據(jù)，GPRS模塊接收到分組數(shù)據(jù)后處理為TCP/IP包，并根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議對其解包，微處理器解析出具體的通信命令幀后，通過串口傳輸給斷路器，斷路器接收命令進行處理后并返回響應(yīng)。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信流程如圖6所示。

圖6 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

手機發(fā)送中英文短信到SIM900模塊上，然后讀取模塊接收的對應(yīng)短信。對于中英文短信的讀取，模塊返回的內(nèi)容是UNICODE編碼的組合，實驗測試時，將UNICODE碼轉(zhuǎn)換為漢字或字符。

發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=1，用于設(shè)置文本模式，其次發(fā)送指令A(yù)T+CSMP=17,167,2,25,用于設(shè)置文本模式的參數(shù)，然后發(fā)送指令A(yù)T+CSCS=“UCS2”，用于設(shè)置UCS2編碼字符集。手機號為：18255065653，發(fā)送中英文短信內(nèi)容：智能型低壓斷路器的無線GPRS通信模塊設(shè)計。首先使用UNICODE轉(zhuǎn)換工具，將手機號碼和發(fā)送的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成UNICODE字符串。18255065653轉(zhuǎn)換后的UNICODE碼即為：

0031 0038 0032 0035 0035 0030 0036 0035 0036 0035 0033。

智能型低壓斷路器的無線GPRS通信模塊設(shè)計，轉(zhuǎn)換后的UNICODE碼為：

57FA 4E8E 0047 0050 0052 0053 7684 4F4E 538B 667A 80FD 65AD 8DEF 5668 7EC8 7AEF 6A21 5757 8BBE 8BA1。發(fā)送時需將轉(zhuǎn)換成的UNICODE碼去掉空格。

4 無線GPRS通信測試

實驗測試系統(tǒng)由MSP430開發(fā)板和GPRS通信模塊組成。將測試程序燒錄到MSP430并通過串口連接GPRS通信模塊。通過手機短信的通信方式向GPRS模塊上的SIM卡發(fā)送短信(卡號為18225791862)，查詢和控制斷路器分閘與合閘的運行情況以及相關(guān)參數(shù)。測試結(jié)果表明采用GPRS通信方式可以遠(yuǎn)程、快速、準(zhǔn)確的控制并查詢智能型低壓斷路器的運行狀態(tài)參數(shù)。

5 結(jié)論

綜上所述，本文基于SIM900無線GPRS模塊設(shè)計了智能型斷路器運行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信單元，由現(xiàn)場通信模塊采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過微控制器的處理，將信息傳送至GPRS通信模塊，然后經(jīng)由通信模塊送出數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心或用戶手機，供管理人員查看及作出相應(yīng)的處理，從而實現(xiàn)斷路器運行數(shù)據(jù)、故障信號以及狀態(tài)指示的檢測和控制。若管理人員需要控制斷路器進行相應(yīng)的動作，只需通過監(jiān)控中心或用戶手機發(fā)出命令，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至智能型斷路器的GPRS無線通信模塊，由微控制器進行相應(yīng)的動作管理，從而實現(xiàn)斷路器的遠(yuǎn)程無線遙控。將GPRS無線通信模塊應(yīng)用于一臺1.14 kV、500 A的智能型斷路器，實驗結(jié)果表明，這種具有無線遠(yuǎn)程GPRS通信功能的智能斷路器可提供全透明數(shù)據(jù)傳輸，用戶無需關(guān)注復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使用串行通信接口就可以進行無線數(shù)據(jù)收發(fā)，現(xiàn)場設(shè)備能夠隨時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet連接公網(wǎng)上的監(jiān)控主站或通過手機短信進行數(shù)據(jù)傳輸。