移动电站远程无线监控系统设计

尹志勇 邵天章 邢娅浪

(军械工程学院电气工程系，河北 石家庄 050003)

0 引言

移动电站具有工作地点不确定、工作环境恶劣等特点，在很多情况下，相关负责人一方面要关心移动电站当前的运行状态与警报情况，另一方面却又无法保证对所有移动电站的实时跟进。目前，大量电站均安装了智能控制系统，可实时检测各种运行状态参数，产生相应的报警保护，为远程状态监控提供了可能。普通的无线数据传输设备受到装置复杂昂贵、传输距离短、抗干扰能力弱等多方面因素的制约，基本不能满足使用要求。

全球移动通信系统(global system for mobile communication，GSM)是目前移动通信体制中比较成熟、完善且应用比较广泛的一种技术［1］。该技术可传输各种监测数据和控制命令，现已广泛应用于远程监控、定位导航、个人通信终端等领域［2］。因此，将GSM技术与电站智能控制系统相结合，可以很好地解决电站装备远程状态信息无线获取的问题。

1 硬件设计

1.1 系统整体功能结构

移动电站运行状态信息需由前端检测设备(通常为智能控制系统)获取。智能控制系统可与GSM模块相结合或采取一体化设计。系统主要由数据采集模块、CPU模块、人机交互模块、报警输出模块、控制输出模块、GSM通信模块等模块构成［3］，其结构如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure of the system

数据采集模块将移动电站待测参数通过传感器、电子开关、调理电路、A/D转换等电路，将模拟信号转换为数字信号，并上传给CPU模块。检测参数一般包括电站输出电压、输出电流、电压频率、功率、发动机转速、温度、机油压力、电平电压等［4］。

CPU模块是系统检测控制中枢，可根据程序设定与外设进行数据交换。本系统选用的STC12C5410单片机，是美国STC公司在8051单片机标准内核基础上改进推出的一款具有增强型功能的单片机。该单片机芯片从引脚到指令完全与8051相兼容，可采用C51语言进行程序开发［5］。

人机交互模块包括键盘与液晶两部分。键盘便于用户进行各项功能控制，如系统参数设置、电站的启动/停机控制等，硬件设计可采用专用键盘芯片;液晶能实时显示各种被测参数数值、波形、报警等信息，使人机交互更加友好。

输出模块包括报警输出与控制输出两部分。当移动电站的某项参数值超过预设阈值时，报警输出模块将产生声、光、电等多种形式的警报。控制输出模块是实现移动电站启动/停机、在线编程等功能的主要执行机构，一般由多个继电器及相应驱动电路组成［6］。

GSM通信模块可实现移动电站远程数据传输功能。下文将作重点介绍，在此不再赘述。

1.2 GSM模块电路连接

系统选用捷麦公司G100系列的G100A型短信息收发模块。模块管脚定义如图2所示。

图2 G100A型GSM通信模块管脚图Fig.2 Pins of G100A GSM communication module

由图2可知，系统采用VCC直流正电源输入，范围为5～15 VDC。其中，GND为直流电源地;RXD为模块串口接收端，与微处理器的TXD端相连;TXD为模块串口发送端，与微处理器的RXD端相连;DSR、DTR为模式2指示串口数据端。

G100A型GSM通信模块可在模式1和模式2两种方式下工作。在模式1下，GSM通信模块与上位机连线采用三线制串口连接，没有其他任何握手和数据流控制线;连接方式简单，除电源外不需任何外围辅助电路。模式1下GSM通信模块与上位机连线图如图3所示。

图3 模式1下连线图Fig.3 Connections under working mode 1

模式2为GSM短信息透明传输方式。由于在部分应用场合，用户所用的上位机是成熟产品，无法改变其内在的通信程序及通信帧格式，使得模式1的应用受到了很大的限制。在模式2下，用户可以不改变原有上位机的通信帧格式，直接将其与GSM模块相连接，如使用Modbus等规约信令。G100A型GSM通信模块与上位机连线通常采用五线制的连接方式，即TXD、RXD、GND三条线传输信息内容，DSR、DTR两条线指示信息性质。无论信息是从上位机还是从GSM模块发出，都是无格式的，其内容是数据还是命令通过DTR和DSR两条线上的电平状态进行识别。DTR与DSR两条线的信号状态采取正逻辑，“1”代表数据，“0”代表命令。其中DTR由上位机控制，GSM模块读取其状态;DSR与之相反，由GSM模块进行控制，上位机读取其状态。模式2下的连线图如图4所示。

图4 模式2下连线图Fig.4 Connections under working mode 2

2 通信帧格式

系统采取模式1的工作方式，因此只讨论在模式1下GSM模块与上位机(微处理器)间的通信帧格式。数据的传输采用单片机串行通信方式1，即传输字节格式为1个起始位、8个数据位和1个停止位，无校验位，串口速率为多速率可编程。

GSM模块与上位机间通信的内容是由多个字节组成的数据包，数据包的基本格式为0xD7+控制字节+信息。其中，0xD7为包头，是上位机与GSM模块间传输数据包的起始字节;控制字节表明此数据包类型，当控制字节大于147 B时，其类型为命令，否则为数据。命令可由上位机通过串口发送给GSM模块，控制其执行一定的动作;也可由GSM模块发出向上位机报送模块内的相关参数或状态信息。数据指的是上位机与GSM模块间传输的有效信息，主要包括电站当前状态参数、警报信息以及用户通过手机短息发来的查询命令等。

2.1 数据格式

当数据包的控制字节小于147 B时，其类型为数据。这里规定数据包由上位机发出、GSM模块接收的为发送信息，反之则为接收信息。

①发送信息。发送信息的数据包格式如图5所示。

图5 发送信息的数据包格式Fig.5 Format of data packet of sending information

图5中，UDL表示待发送的除包头0xD7外总的数据长度，包括STA、UD和它本身的字节长度，且STA和UDL的字节长度一般是固定的。STA表示接收方的电话号码，即目的地址。STA长度一般为6个8位二进制字节，每个字节中高4位和低4位分别用BCD码表示1位十进制数，这样每个字节可表示2位号码，6个字节共可表示12位号码。由于现行的电话号码为11位，在实际传输时需在号码前加0，以补足12位。UD表示上位机发送的有效数据，其总长度最大为140个字节，有效数据包括汉字、数字、字母及各种符号。发送时汉字需转换成Unicode码，其他字符转换成ASCII码。

②接收信息。接收信息的数据包格式如图6所示。

图6 接收信息的数据包格式Fig.6 Format of data packet of receiving information

这里的UDL和UD与发送信息含义相同，SOA为外部发送方的电话号码，即源地址，转换方法与前面一致。DATE为短信中心收到短信的时间，即发送方发送短信时间，其包括6个字节的BCD码，依次是年、月、日、时、分、秒。需注意的是，UDL的数值不包括这6个字节。

2.2 命令格式

当数据包的控制字节大于147 B时，其类型为命令。命令的数据包格式为0xD7+控制字节+参数。

3 软件设计

系统软件设计主要基于Keil软件平台。Keil软件支持几乎所有MCS51架构的芯片，并且集编辑、编译、仿真等多项功能于一体，同时支持汇编语言和C语言程序设计［7］。在此，重点介绍与GSM模块相关的程序设计。该部分程序主要实现对GSM模块的上电初始化以及模块与上位机(微处理器)间的通信。程序流程如图7所示。

系统上电后，GSM模块内部进行初始化，主要检测无线信号强度，并登录GSM网络［8］，时间大概为20 s。当收到信息获取命令时，GSM模块通过上位机取得当前电站参数状态信息，经GSM网络以短信的形式将电站当前状态信息发送至用户手机。模块发送短信后无论成功或失败都将返回一个标志码给上位机。如发送失败，上位机可选择重发，直至短信发送成功。当电站产生报警信息后，微处理器将报警信息(如超速停机)发送给GSM模块，GSM模块接收到报警信息后，将其以短信息形式通过无线网络发送到指定用户的手机上。

图7 GSM模块程序流程图Fig.7 Flowchart of GSM module program

3.1 发送程序

发送程序的主要功能是实现上位机对GSM模块的数据通信。如收到用户发来的电站状态获取命令或电站产生报警信息时，上位机按照相应通信帧格式将数据信息发送至GSM模块，再由GSM模块将该信息以短信形式传递至指定用户手机。部分程序如下。

3.2 接收程序

接收程序的主要功能是实现GSM模块对上位机的数据通信。当GSM模块接收到用户以短信形式发来的电站状态信息获取命令时，其在模块内部自动将短信内容进行转换，然后按照相应通信帧格式将命令信息发送至上位机，上位机根据接收的命令内容完成相应操作。

4 结束语

基于GSM模块的远程监控系统现已在多部移动电站上得到了实际应用，用户可通过手机在任何时间、任何地点查询指定编号移动电站的当前运行状态信息，同时也能够在第一时间掌握电站警报情况，甚至可以远程控制移动电站启动/停机，使用效果达到了预期目标。在实际应用中也发现了一些问题，如网络信号较差时，短信收发延时情况较为明显。相信通过GSM模块无线发射功率的增强，以及无线网络通信基站覆盖范围的不断加大，这些问题均能得到很大改善。

［1］陈琦，丁天怀，李成，等.基于GPRS/GSM的低功耗无线远程测控终端设计［J］.清华大学学报:自然科学版，2009，49(2):223 －225.

［2］胡金凤，郑萍，吴拥，等.基于GSM的PLC车载远程控制系统设计［J］.自动化仪表，2011，32(4):36 －39.

［3］邢娅浪，赵锦成，尹志勇.基于W77E58的电站装备运行记录仪的设计［J］.移动电源与车辆，2008(2):17－19.

［4］尹志勇，刘洪文，刘金宁.基于PM50语音芯片的电站远程语音提示系统［J］.移动电源与车辆，2009(2):7 －10.

［5］邢娅浪，赵锦成，孙世宇.基于STC系列单片机的SPWM波形实现［J］.国外电子测量技术，2009(12):51－53.

［6］邵天章，谷志峰，尹志勇，等.移动电站通用控制系统设计［J］.移动电源与车辆，2009(4):21－23.

［7］马忠梅.单片机C语言应用程序设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003:158－164.

［8］马玉春，孙冰，王建明.GSM模块的综合应用研究［J］.计算机应用与软件，2008，25(2):68 －70.