基于GSM的电量传输与控制系统的设计

张欢钰，周国平

（南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037）

0 引言

电力系统管理技术是在逐步发展中不断优化和完善的。在电网形成初期，人们不能及时掌握各节点电压和电流等电力参数。一旦电网发生故障，无法快速获得故障信息，只能凭经验进行事故处理，不能迅速恢复供电，这样会给人们带来很大的经济损失。为了尽量减少损失，人们需要及时测量到电网中电压、电流等电气量。因此，对电网进行远程监测和控制是十分必要的。本系统就是通过GSM短信来实时获得电网的电力参数并实现对电量的远程传输和控制。

1 系统总体结构

系统主要由采集电路部分、电能计量部分、GSM模块部分、控制模块部分、显示部分组成。通过采样电路对三相交流电压、电流取样，然后将采样信号输入给电能计量芯片，经过芯片内部处理后，将结果存入到相应寄存器，微处理器通过相关接口将所需参数读到微处理器内部，并将电压、电流、功率等电气参数在液晶屏中显示，让用户可以直观地观测到电气设备的使用情况[1]。最后利用无线网络通信技术，单片机发出AT命令控制GSM模块[2]，将各电气量的数值以短消息形式发送出去，并接收从上位机发回的指令，从而实现电力参数的实时采集、传输与控制。基于GSM/GPRS电量远程传输和控制的结构框图如图1所示。

图1 电量远程传输和控制的结构框图

2 系统硬件设计

基于GSM的电量的传输和控制系统主要以STC12C5A60S2单片机作为控制中心，键盘和液晶显示器作为人机交互设备，GSM通信模块选用西门子公司的MC52i，ATT7022B电能计量芯片用于电量的采集。

2.1 GSM通信模块部分

无线通信模块MC52i具有以下优点：（1）使用外接电源，通信接口协议均为RS232，可以直接通过串口RS232与单片机相连；（2）内部带有 TCP/IP协议栈，功耗低；（3）适用于 900/1 800 MHz双频段，支持 GSM/GPRS功能[3]；（4）体积小、可靠性高、性价比高。

MC52i模块应用范围广泛，比如银行、储蓄点机房监控，热力系统实时监控和维护，工业遥感、遥测、遥控信息回报，通信行业远端无人值守站房监控和远程维护等[3]。

MC52i模块中最主要的部分是数据接口电路和SIM卡读卡电路。MC52i与STC12C5A60S2采用相同的电平供电，所以它们之间相连只需使用3个引脚：TXD、RXD和GND。MC52i模块与单片机的连接如图2所示。SIM卡接口不仅支持GSM Phase 1标准功能，也可以支持GSM Phase2+标准功能。它从MC52I模块内部取电，引脚复位时输出的是低电平。插入SIM卡时，引脚输出高电平，系统正常工作。

图2 GSM与单片机的接线图

2.2 电能计量芯片与单片机的连接

本系统采用的是ATT7022B电能计量芯片，它是高精度的三相电能专用计量芯片，功能十分强大，可以在三相三线和三相四线制中使用[4]。ATT7022B包含有SPI接口，通过这个通信接口可以十分方便地与单片机进行参数的传递。由于电气量数据采集模块和控制模块都是以单片机为控制核心，因此需要选择具有双串口功能的单片机，而且由于电能计量芯片ATT7022B支持SPI总线通信[5]，以及考虑到编程指令代码的兼容性等，最终系统采用了STC12C5A60S2单片机。

电能计量芯片ATT7022B与单片机的SPI通信接口典型接线图如图3所示。

图3 ATT7022B与MCU的典型接线图

2.3 电力参数采样电路设计

（1）电压采样电路

电压采样电路一般来说有两种方式，一种是用互感器采样，另一种是电阻分压采样。本系统采用的是互感器采样[6]。ATT7022B芯片内部电压通道采样信号范围是10 mV～1 000 mV，本文选择0.1 V作为电压采样信号，所以当输入220 V时采样电压应该是0.1 V，本系统选择2 mA/2 mA的电流型电压互感器，为了确保系统的测量范围，最终使用了1 mA作为采样电流的基准值，因此输入端电阻值为：

输入端电阻的额定功耗为：

所以选择阻值为220 kΩ，额定功率为2 W的电阻作为输入电阻。

输出采样电阻值为：

电压采样电路如图4所示。

图4 电压采样电路

（2）电流采样电路

电流采样电路使用互感器来对电流进行采样。芯片内部电流通道采样信号范围是1 000 mV到2 mV，本文选择0.1 V作为电压采样信号，使用规格为10 A/5 mA的电流互感器，根据编写的程序得到输入1 A时采样电压应为0.1 V，所以采样电阻阻值为：

电流采样电路如图5所示。

3 系统软件设计

图5 电流采样电路

本系统软件部分分为主程序和中断程序。主程序中主要实现电力参数（包括电压、电流、功率等）的计算、LCD1602的显示、GSM通信部分、通信数据的编解码处理、继电器控制、按键管理；中断程序包括定时器中断、SPI串行中断和ADC转换中断。本系统软件设计的难点在于GSM通信部分和数据的编解码处理，下面将着重介绍这两部分。

3.1 GSM通信部分软件设计

装置正常供电后，首先对MC52I模块进行初始化，初步设置完成之后，检测在供电前有没有收到短消息，若没有收到短消息则将之前采集到的电量信息发送给手机；若收到短消息，则处理并提取短消息内容，然后检测短信开头是否是NJFU，若不是则删除短信，若是则返回相应数据或进行相应操作。MC52I模块的通信流程如图6所示。

图6 MC52I通信流程图

3.2 发送短消息的软件设计

单片机STC12C5A60S2通过串口发送AT指令对MC52i模块进行控制，实现信息的发送和接收，本系统所涉及的AT指令详见表1[7]。

表1 常用AT指令表

3.3 PDU编码方原理

短消息的编码方式一共有3种，分别为：BLOCK模式、TEXT模式和PDU模式。现在，BLOCK模式已经被TEXT和PDU模式所代替。用TEXT模式发送短信虽然简单，但是只能发送英文短信，所以国内的手机基本上不支持[8]；PDU模式比较复杂，但任何字符集它都能够使用，因此被全部手机支持[9]。本系统采用的是PDU模式和TEXT模式。PDU模式中选择的是UCS2编码[10]。

下面主要是用一个例子来具体介绍PDU的编码原理：向号码为1515057036的手机发送一条中文短信“南林欢迎您”，经过转换后编码内容为“0011000D9168515 1500763F50008A70A535767976B228FCE60A8”，对照表2来分析这条编码内容。

表2 短信编码分析

4 结论

GSM具有传输数据可靠、通信范围广而且短信业务经济的特点，是一种较好的远程无线数据传输方式。基于GSM的电量传输与控制充分利用了GSM网及SMS短消息服务这一功能在数据传输中的优势，结合STC单片机、GSM模块MC52I和LCD，实现了将采集到的电力参数在液晶屏中显示并将显示的内容以短信的形式发送等功能。系统性能稳定，实用性强，最大程度地保证了电量信息的可靠，实时传输，可以得到广泛的应用。

[1]李泽洲，官洪运，路昊，等.基于 GSM无线网的智能家居报警器的研发与设计[J].微型机与应用，2014，33（22）：20-23.

[2]王超，郭显久.基于TC35短信模块的开关远程控制系统设计[J].微型机与应用，2015，34（4）：29-33.

[3]袁锡明，吴建军，李军科.基于 MC52I的远程传感控制系统设计 [J].无锡商业职业技术学院学报，2012，12（6）：98-100.

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[6]刘岩.功率、电量的测量与控制设计[J].中国科技博览，2009（34）：121.

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[8]郭辉.基于GSMSMS的短信平台及其应用系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2006.

[9]赵大成，贾海燕.手机短信收发的 AT指令控制[J].信息工程大学学报，2007，20（1）：45-47.

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