基于GSM通信的小型水电站水轮发电机组运行监测装置应用

2011-09-03季洪波荆武祥

中国水能及电气化 2011年9期

季洪波，路奔，荆武祥

（1.辽宁省本溪满族自治县水务局，辽宁本溪 117100；2.辽宁省农村水电及电气化发展中心，沈阳 110003；3.辽宁省水利厅，沈阳 110003）

GSM（Global system for mobile communication）是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最为广泛的一种通信模块，具有语音调制覆盖范围大、容量大、短信息业务传输速度快、不影响语音通话、价格便宜等优点。本文介绍一种适用于小型水电站的基于GSM通信的水轮发电机组运行监测装置。

1 监测装置的组成

为了便于发电厂管理人员及时、准确地了解水文及水轮机组的运行状态，并在紧急情况下下达停机操作指令，本设计由DSP处理器构成整个监测装置电路的核心，通过信号采集卡采集包括截流坝体水位（或导流明渠水流量）、水轮机运行负荷、发电机组输出功率等运行状态参数。驱动卡用于实现远程停水停机操作。GSM模块（TC35i）完成控制信号以及运行状态参数的接收和发送。西门子的TC35i作为GSM通信模块，以短消息互发形式进行水轮发电机组运行状态及水文情况的查询和反馈。GSM模块通过UART接口与DSP处理器进行连接，由DSP处理器处理有效短信息以及根据信息访问请求内容进行水轮发电机组运行状态信息反馈。监测装置组成结构如图1所示。

图1 监测装置的组成

2 监测功能及实现

2.1 监测功能的实现原理

如图2所示，由DSP处理器构成整个监测装置电路的核心，通过信号采集卡采集包括截流坝体水位（或导流明渠水流量）、水轮机运行负荷、发电机组输出功率等运行状态参数；驱动卡用于实现远程停水停机操作；GSM模块（TC35）完成控制信号以及运行状态参数的接收和发送；电源模块为监测装置供电；LCD显示器用于显示当前的运行状态参数。监测功能的实现原理如图2所示。

图2 监测功能的实现原理

2.2 核心处理器的功能

核心处理器为microchip公司的16位DSP处理器，其外围电路包括：线性DC-DC转换单元、软件调试接口电路、硬件看门狗电路、光电隔离单元、电平转换电路、FLASH存储器（用于存储运行参数历史记录）等。该处理器用于处理有效短消息的状态查询指令，并根据查询内容将相应的状态参数编辑成短消息发送给查询终端。GSM通讯模块接收到的短消息首先由处理器判断其查询终端的查询权利，与现有数据库比较并判断为有效短消息后，根据查询的内容从状态参数存储单元中调用对应的状态参数，依据GSM通讯协议中短消息发送指令进行短消息的编辑，编辑完成后通过GSM通信模块进行短消息发送。运行状态记录单元为外置FLASH存储器，DSP处理器每隔5分钟进行一次有效状态参数的存储，其中存储水力发电机组一年内的运行状态。FLASH存储器可通过硬件开关设置成外置独立的存储卡，用户可通过配套的上位机软件读出相应的运行状态参数。配套的信息采集卡和驱动卡通过RS485总线与DSP进行连接。

2.3 GSM模块的功能

本设计使用西门子工业GSM模块TC35i，该模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块,工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.3～4.8V,电流消耗——休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA(平均)，2.5A峰值；可传输语音和数据信号,功耗在 EGSM900（4 类）和 GSM1800（1 类）分别为2W和1W,通过接口连接器、天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据,可选波特率为300b/s～115kb/s,自动波特率为1.2～15kb/s。它支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service,短消息）,可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。TC35由供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口等6部分组成。作为TC35的核心基带处理器主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。

TC35i模块的第1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V；第6～10引脚是电源地；11、12为充电引脚，可以外接锂电池；13为对外输出电压（共外电路使用）；14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制；15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35i进入工作状态,必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms；16～23为数据输入/输出，分别为 DSR0、RING0、RxD0、 TxD0、 CTS0、 RTS0、 DTR0 和 DCD0。tc35i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps～115kbps之间可选，默认9600。硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。其中18脚RxD0、19脚TxD0为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。TC35i使用外接式SIM卡,24～29为SIM卡引脚，SIM卡同TC35是这样连接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。30～32为控制脚，其中30为RTC backup，31为Power down，32为SYN。35～38为语音接口，其中35、36接扬声器放音，37、38接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）。