摘  要： 為了能對電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和精確調(diào)度并準(zhǔn)確測量和掌握電網(wǎng)中電壓、頻率、電流、功率等電力參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于GSM的電量傳輸和控制系統(tǒng)。主要利用電能計(jì)量芯片ATT7022B和微處理器STC12C5A60S2完成對電量的采集與處理，然后通過GSM模塊將電量信息以短信的形式發(fā)送到監(jiān)測人員的手機(jī)上，監(jiān)測人員接收到相關(guān)電量信息后分析處理并進(jìn)行控制。經(jīng)過測試，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，有助于及時有效地解決電網(wǎng)調(diào)度及故障分析處理。

　　關(guān)鍵詞： 電量采集；GSM模塊；電能計(jì)量芯片；微處理器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

　　電力系統(tǒng)管理技術(shù)是在逐步發(fā)展中不斷優(yōu)化和完善的。在電網(wǎng)形成初期，人們不能及時掌握各節(jié)點(diǎn)電壓和電流等電力參數(shù)。一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，無法快速獲得故障信息，只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行事故處理，不能迅速恢復(fù)供電，這樣會給人們帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了盡量減少損失，人們需要及時測量到電網(wǎng)中電壓、電流等電氣量。因此，對電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制是十分必要的。本系統(tǒng)就是通過GSM短信來實(shí)時獲得電網(wǎng)的電力參數(shù)并實(shí)現(xiàn)對電量的遠(yuǎn)程傳輸和控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要由采集電路部分、電能計(jì)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(jì)量芯片，經(jīng)過芯片內(nèi)部處理后，將結(jié)果存入到相應(yīng)寄存器，微處理器通過相關(guān)接口將所需參數(shù)讀到微處理器內(nèi)部，并將電壓、電流、功率等電氣參數(shù)在液晶屏中顯示，讓用戶可以直觀地觀測到電氣設(shè)備的使用情況[1]。最后利用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，單片機(jī)發(fā)出AT命令控制GSM模塊[2]，將各電氣量的數(shù)值以短消息形式發(fā)送出去，并接收從上位機(jī)發(fā)回的指令，從而實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的實(shí)時采集、傳輸與控制?；贕SM/GPRS電量遠(yuǎn)程傳輸和控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　基于GSM的電量的傳輸和控制系統(tǒng)主要以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制中心，鍵盤和液晶顯示器作為人機(jī)交互設(shè)備，GSM通信模塊選用西門子公司的MC52i，ATT7022B電能計(jì)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(yōu)點(diǎn)：（1）使用外接電源，通信接口協(xié)議均為RS232，可以直接通過串口RS232與單片機(jī)相連；（2）內(nèi)部帶有TCP/IP協(xié)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(yīng)用范圍廣泛，比如銀行、儲蓄點(diǎn)機(jī)房監(jiān)控，熱力系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控和維護(hù)，工業(yè)遙感、遙測、遙控信息回報(bào)，通信行業(yè)遠(yuǎn)端無人值守站房監(jiān)控和遠(yuǎn)程維護(hù)等[3]。

　　MC52i模塊中最主要的部分是數(shù)據(jù)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(jī)的連接如圖2所示。SIM卡接口不僅支持GSM Phase 1標(biāo)準(zhǔn)功能，也可以支持GSM Phase2+標(biāo)準(zhǔn)功能。它從MC52I模塊內(nèi)部取電，引腳復(fù)位時輸出的是低電平。插入SIM卡時，引腳輸出高電平，系統(tǒng)正常工作。

　　2.2 電能計(jì)量芯片與單片機(jī)的連接

　　本系統(tǒng)采用的是ATT7022B電能計(jì)量芯片，它是高精度的三相電能專用計(jì)量芯片，功能十分強(qiáng)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(jī)進(jìn)行參數(shù)的傳遞。由于電氣量數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊都是以單片機(jī)為控制核心，因此需要選擇具有雙串口功能的單片機(jī)，而且由于電能計(jì)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(tǒng)采用了STC12C5A60S2單片機(jī)。

　　電能計(jì)量芯片ATT7022B與單片機(jī)的SPI通信接口典型接線圖如圖3所示。

　　2.3 電力參數(shù)采樣電路設(shè)計(jì)

　　（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(tǒng)采用的是互感器采樣[6]。ATT7022B芯片內(nèi)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(dāng)輸入220 V時采樣電壓應(yīng)該是0.1 V，本系統(tǒng)選擇2 mA/2 mA的電流型電壓互感器，為了確保系統(tǒng)的測量范圍，最終使用了1 mA作為采樣電流的基準(zhǔn)值，因此輸入端電阻值為：

　　輸入端電阻的額定功耗為：

　　P=I2×Ri=0.22 W（2）

　　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。

　?。?）電流采樣電路

　　電流采樣電路使用互感器來對電流進(jìn)行采樣。芯片內(nèi)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(guī)格為10 A/5 mA的電流互感器，根據(jù)編寫的程序得到輸入1 A時采樣電壓應(yīng)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件部分分為主程序和中斷程序。主程序中主要實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)（包括電壓、電流、功率等）的計(jì)算、LCD1602的顯示、GSM通信部分、通信數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換中斷。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于GSM通信部分和數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

　　裝置正常供電后，首先對MC52I模塊進(jìn)行初始化，初步設(shè)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(fā)送給手機(jī)；若收到短消息，則處理并提取短消息內(nèi)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(yīng)數(shù)據(jù)或進(jìn)行相應(yīng)操作。MC52I模塊的通信流程如圖6所示。

　　3.2 發(fā)送短消息的軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)STC12C5A60S2通過串口發(fā)送AT指令對MC52i模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送和接收，本系統(tǒng)所涉及的AT指令詳見表1[7]。

　　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(xiàn)在，BLOCK模式已經(jīng)被TEXT和PDU模式所代替。用TEXT模式發(fā)送短信雖然簡單，但是只能發(fā)送英文短信，所以國內(nèi)的手機(jī)基本上不支持[8]；PDU模式比較復(fù)雜，但任何字符集它都能夠使用，因此被全部手機(jī)支持[9]。本系統(tǒng)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(jī)發(fā)送一條中文短信“南林歡迎您”，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后編碼內(nèi)容為“0011000D9168515 1500763F50008A70A535767976B228FCE60A8”，對照表2來分析這條編碼內(nèi)容。

4 結(jié)論

　　GSM具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、通信范圍廣而且短信業(yè)務(wù)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是一種較好的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸方式?；贕SM的電量傳輸與控制充分利用了GSM網(wǎng)及SMS短消息服務(wù)這一功能在數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)勢，結(jié)合STC單片機(jī)、GSM模塊MC52I和LCD，實(shí)現(xiàn)了將采集到的電力參數(shù)在液晶屏中顯示并將顯示的內(nèi)容以短信的形式發(fā)送等功能。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，最大程度地保證了電量信息的可靠，實(shí)時傳輸，可以得到廣泛的應(yīng)用。

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