1 引言
在油田等地域分布遼闊的野外地區(qū)，輸電線路和電力變壓器因遠(yuǎn)離供電局經(jīng)常面臨被盜的危險(xiǎn)，一旦輸電線和電力變壓器被盜，將會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和油田安全生產(chǎn)造成極大的隱患。隨著gsm移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和用戶的日益擴(kuò)大，gsm的信號(hào)覆蓋范圍很廣，盲區(qū)越來越少，現(xiàn)在gsm機(jī)站建設(shè)迅速，設(shè)計(jì)上已經(jīng)覆蓋了整個(gè)地區(qū)。為此，本文利用gsm通訊網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出的輸電線路和變壓器防盜系統(tǒng)，能有效地對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸電線路和電力變壓器的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文主要描述了利用stc89c52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的基于gsm模塊的電力變壓器防盜系統(tǒng)，包括stc89c52單片機(jī)的功能特點(diǎn)、gsm短信模塊工作原理、傳感器工作原理。文中使用的gsm(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))模塊為siemens公司推出的新一代無線通信gsm模塊——tc35，利用該模塊可以完成短消息收發(fā)、語音傳輸、與pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)由單片機(jī)和gsm模塊以u(píng)art(通用異步收發(fā)器)形式通信完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，并通過gsm模塊將采集到的信息通過gsm網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶終端；信號(hào)的檢測(cè)采用二種傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，以確保電力變壓器的安全性；同時(shí)為防止電網(wǎng)斷電等因素所造成的影響，即在電網(wǎng)掉電后自動(dòng)啟動(dòng)后備電池繼續(xù)保證系統(tǒng)的正常工作，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性；在人機(jī)交互中，采用遙控布防和撤防的方式便于控制報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)，另外，通過電腦終端可以對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掌握。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。
圖1系統(tǒng)基本原理框圖
3 gsm模塊tc35應(yīng)用設(shè)計(jì)
tc35是siemens公司推出的新一代無線通信gsm模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)(short message service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3-5.5v，可以工作在900mhz和1800mhz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2w(900m)和1w(1800m)。模塊有at命令集接口，支持文本和pdu模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測(cè)功能，常用工作模式有省電模式、idle、talk等模式。通過獨(dú)特的40引腳的zif連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。通過zif連接器及50ω天線連接器，可分別連接sim卡支架和天線。
tc35模塊主要由gsm基帶處理器、gsm射頻模塊、供電模塊(asic)、閃存、zif連接器、天線接口六部分組成。作為tc35的核心，基帶處理器主要處理gsm終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持fr、hr和efr語音信道編碼。
3.1 tc35硬件設(shè)計(jì)
(1) tc35 的硬件接口。tc35模塊有40個(gè)引腳，通過一個(gè)zif(zero insertion force，零阻力插座)連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、sim卡、音頻接口和控制。其中igt是啟動(dòng)端，系統(tǒng)加電后為使tc35進(jìn)入工作狀態(tài),必須給igt加一個(gè)大于100ms的低脈沖,電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1ms。單片機(jī)通過tc35的18、19腳交換數(shù)據(jù)。tc35的外圍電路圖如圖2所示。
圖2 tc35外圍電路圖
(2) tc35的開發(fā)技巧。在開發(fā)tc35的過程中，正確構(gòu)建其外圍電路是十分重要的。電源要求：模塊的供電電壓如果低于3.3v會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。同時(shí)模塊在在發(fā)射時(shí)，電流峰值可高達(dá)2a。同時(shí)在此電流峰值時(shí)，電源電壓(送入模塊的電壓)下降值不能超過0.4v。所以該模塊對(duì)電源的要求較高，電源的內(nèi)阻+ffc聯(lián)接線的電阻必需小于200mω；mcu與tc35通信：單片機(jī)通過兩個(gè)i/o口控制tc35的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等，通過串口與tc35進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9600kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位；邏輯電平的區(qū)別：tc35模塊輸入輸出的ttl正電平邏輯不是+5v，而是+2.9v，因此必要時(shí)加端口保護(hù)；tc35上電后需要在igt引腳施加100ms左右的低脈沖才能啟動(dòng)。
(3) 如何解決模塊無法登陸網(wǎng)絡(luò)的問題。因?yàn)樵趖c35的整個(gè)外圍電路中存在數(shù)字地和模擬地，考慮將上述電感換成磁珠，原因是電感無法吸收數(shù)字地和模擬地之間的高頻諧波分量，而磁珠則可以很有效地吸收高頻分量，很好的起到了隔離數(shù)字地和模擬地。另外，將+5v電源與tc35模塊的vbatt+之間的濾波二極管換下，改為直流穩(wěn)壓電源(5v，2a)直接供電，解決二極管的最大導(dǎo)通電流達(dá)不到模塊要求的瞬間的大電流(2a)的問題。
(4) 關(guān)于sim卡的管腳信號(hào)。sim卡有三種電氣規(guī)范的，1.8v/3.0v/5.0v?，F(xiàn)在我們手機(jī)上用的sim卡一般都是3.0v的。sim卡上供電受電源vcc的影響比較大，并且其紋波不能很大。在rst信號(hào)正確的前提下，正常工作時(shí)，rst信號(hào)為高電平。這時(shí)測(cè)試cl-ock和data信號(hào)的波形會(huì)發(fā)現(xiàn)：這兩個(gè)信號(hào)在tc35對(duì)sim卡操作時(shí)才有波形，如沒有操作則一般都不會(huì)有波形，這都是屬于正常情況。sim卡的信號(hào)線、電源線都需要去耦。
3.2 tc35 軟件指令
(1) 基本at指令：讀取短信支持格式0,pdu(中英文都可)；1,text(只能用于英文)。指令：at+cmgf?返回：+cmgf: 0注意：tc35默認(rèn)的是text模式，因此要發(fā)中文短信必須在每次開機(jī)時(shí)更改短信支持格式。輸入：at+cmgf=0返回：ok。
(2) 中英文短信的發(fā)送。英文短信的分析：at+回車：通訊握手指令，返回：ok。指令：at+cmgf=1。設(shè)置為pdu模式，為發(fā)送中文漢字準(zhǔn)備(若開機(jī)時(shí)默認(rèn)為1)，返回：ok，at+cscs=" gsm "(若開機(jī)時(shí)默認(rèn)為gsm)，設(shè)置tc35的工作模式。短信息的發(fā)送分成兩步：a、發(fā)送接收的手機(jī)號(hào)碼,等待應(yīng)答：“>"，指令：at+cmgs="13587654321"回車(目的地址)，tc35回應(yīng)：at+cmgs="1-3587654321" >。b、輸入短信息的內(nèi)容(只能是英文)：test 回車。
中文短信發(fā)送的基本原理分析：使用串口調(diào)試助手成功發(fā)送的中文短信息完整過程，短信中心號(hào)碼：13800513500；短信接收方號(hào)碼：13587654321；短信內(nèi)容：“華科大文華學(xué)院”。
指令：at+回車：通訊握手，返回：ok，指令：at+cmgf=0 設(shè)置為pdu模式，因?yàn)橐l(fā)送中文漢字，返回：ok，at+cmgs=6 (此數(shù)是十進(jìn)制)，發(fā)送短消息的字節(jié)數(shù)(即phone+msg的字節(jié)數(shù))>。可以接收數(shù)據(jù)：089168310 -8200705f011000b813185674523 - f10008c20c534e79d159276587534e5b66962。指令：+cmgs: 45 返回：ok (注釋：08表示短消息中心地址長度；91表示短消息中心號(hào)碼類型；683108200705f0表示短消息中心號(hào)碼13800270500；1100表示發(fā)送短消息的編碼方式；0d表示目的地址長度；91表示目的地址類型；3185674523f1——表示目的地址，即接收短消息的手機(jī)號(hào)碼為13587654321；3208表示發(fā)送中文字符方式；c2表示有效期(tp-vp) 5 分鐘a7(24小時(shí))；0c表示短消息長度；534e79d159276587534e5b6 -69662——表示發(fā)送中文字符的unicode碼。
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 主程序流程圖
軟件設(shè)計(jì)采用c語言編寫、模塊化程序設(shè)計(jì)。stc89c52單片機(jī)對(duì)tc35模塊進(jìn)行通信，首先設(shè)置波特率，通常為9600bit/s，然后再根據(jù)實(shí)際需要對(duì)中斷端口進(jìn)行相應(yīng)的初始化設(shè)置。根據(jù)被監(jiān)控對(duì)象的實(shí)際情況，主流程圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)軟件主流程圖
4.2部分程序源代碼
以下是基于stc89c52單片機(jī)與tc35通訊接口的部分通信程序，該程序已經(jīng)通過調(diào)試并在開發(fā)裝置上正常運(yùn)行。
//打電話ring
void phonecall(void)
{
unchar code ringoff_tc35[]="at+chup";
for(i=0;i<=0;i++)
{
sendtotc35(ring_tc35,sizeof(ring_tc35)-1); //向tc35發(fā)送打電話的at指令
sendasc(over); //回車
delay1s(25); // 延時(shí)9秒
sendtotc35(ringoff_tc35,sizeof(ringoff_tc35)-1); //關(guān)機(jī)
sendasc(over);
delay1s(2);
}
}
本程序源代碼實(shí)現(xiàn)打電話功能，其中考慮將at指令轉(zhuǎn)化成ascii碼的形式對(duì)tc35進(jìn)行控制。
5 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析
本文研究對(duì)象為防盜系統(tǒng)，要求系統(tǒng)穩(wěn)定，為此進(jìn)行如下處理：在系統(tǒng)初始化中，間斷重復(fù)啟動(dòng)三次，以保證能夠正常登錄網(wǎng)絡(luò)，最后以短信形式加以確認(rèn)。主要用單片機(jī)對(duì)tc35進(jìn)行控制，單片機(jī)的穩(wěn)定性不可忽視。因外部看門狗的穩(wěn)定性比內(nèi)部看門狗的穩(wěn)定性高，于是采用外部看門狗定時(shí)清零，以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。電源的可靠性也至關(guān)重要，為此采用雙電源模式。在外部無電源情況下采用內(nèi)部蓄電池供電，根據(jù)用戶需要可以采用不同容量的蓄電池以保證其供電時(shí)間；在有外接電源情況下，外部供電為主，在此時(shí)蓄電池供電不足，便自動(dòng)開始充電。為了使用戶了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，根據(jù)客戶需要以短信形式進(jìn)行定時(shí)發(fā)送安全回復(fù)報(bào)告。
6 結(jié)束語
設(shè)計(jì)結(jié)合gsm網(wǎng)絡(luò)，綜合利用西門子公司的tc35模塊對(duì)電力變壓器實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代的防盜報(bào)警系統(tǒng)。整個(gè)設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種意外情況，根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能。本設(shè)計(jì)借助目前最可靠、最成熟的gsm移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在軟件設(shè)計(jì)上也進(jìn)行了相應(yīng)的人性化設(shè)計(jì)，滿足不同用戶的需求。