基于GPRS非法用电报警装置的设计_毕业设计论文.doc

20132013 届届 电气与电子工程电气与电子工程 学院学院 专专 业业 电子信息工程（通信技术）电子信息工程（通信技术） 完成日期完成日期 20132013 年年 6 6 月月 1010 日日 石家庄铁道学院毕业设计 the design of basing on gprss illegal use of electric alarm device 基于基于 gprsgprs 的非法用电报警装置的设计的非法用电报警装置的设计 毕业设计任务书 题题 目目基于 gprs 的非法用电报警装置的设计 专专 业业 电子信息工程（通信技术） 班班 级级电 0904-1 班学生姓名学生姓名 承担指导任务单位承担指导任务单位电气工程分院导师姓名导师姓名导师职称导师职称副教授 一、设计内容： 1、总体方案的设计。 2、电源及复位模块设计。 3、数据采集系统 att7022b 模块外围电路的设计。 4、蓄电池电压电流模块的设计。 5、数据保存模块设计。 6、gprs 通信模块及显示模块设计。 二、基本要求 1、gprs 网络监测电压变化情况 2、能检测到非法用电并进行报警 3、显示器正确显示故障类型 三、主要技术指标 1、gtm900 模块 （1）重量 10 g （2）尺寸（长宽高）56.5 mm36 mm3 mm（包括屏蔽盒） （3）电源电压 3.3v4.8v（推荐值 4.0v ）工作电流，ok” ， link_num=1，data_index 为包序号，data_len 表示数据长度，data 表示数据包内容。 从 gprs 接收缓存接收到的数据是 ascii 码型，需转换为字符串型。 服务器接收到实时数据包的回馈信息：传输数据类型+终端数据 id+实时数据采 集时间+成功处理与否+校验和。 服务器接收到告警数据包的回馈信息：传输数据类型+终端数据 id+告警事件发 生时间+成功处理与否+校验和。 回馈信息让终端可确定发送给服务器的数据是否得到了处理，对未能成功处理 的数据要重发。 4.3 短信任务处理 当 gprs 网络发生故障、接受到来自服务器或手机下达的短信命令时，系统启 动 sms 数据发送任务。 下面介绍短信初始化、发送、接收任务和通信协议。 1.sms 初始化 短信初始化步骤如下： （1）选择消息业务命令 发送“at+csms=1”命令 （2）指定服务器中心地址命令 发送“at+ csca=“+8613800731500” ”命令。 （3）指定短消息缓存存储器命令 发送“at+cpms=“me” ，“me” ，“me” ”命令，第一个 me 表示将 me 设置为读取和删除消息时使用的存储器，第二个表示将 me 设置为存储和发送消息 时使用的存储器，第三个表示若没有建立到 te 的路由，接收的消息存储到 me 存 储器。 （4）设定短信息为文本格式命令 发送“at+cmgf=1”命令。 （5）文本格式下结果码不显示头信息命令 发送“at+csdh=0”命令。 2.sms 数据发送 当 gprs 网络发生故障、接受到来自服务器或手机下达的短信命令时，系统启 动 sms 数据发送任务。 sms 数据发送是通过发送“at+cmgs=“服务器 id 或手机号” ” ，数秒后 石家庄铁道大学毕业设计 41 gtm900 会返回“,”来删除。若 delflag=0，可以将“index”指定的短息删掉。 4.短信通信协议 用户可以通过手机或服务器以短信的方式将指令下达给终端，下达的命令类型 有：用户密码设置、读所有计量数据、读异常告警信息、度蓄电池电压电流值、单 片机复位命令等。 上述命令的通信协议与串口 0 的通信协议类似，只是增加了终端 id 项用来指定 被操作的终端。 石家庄铁道大学毕业设计 42 第五章 总结与展望 5.1 总结 基于 gprs 非法用电设备的设计已基本完成，各部分功能都已实现。本文首先 提出了通信基站用电监测现况，gprs 的国内外现状及基站的现状和发展趋势。然 后详细的介绍了 gtm900、msp30f149 单片机及 att7022b 的特点、关键性指标和 应用。 课题的工作主要涉及到微处理器的选型及其外围电路的设计、电能计量芯片的 选型及其应用原理、蓄电池电压电流采集方法、gprs 模块的选型及其应用原理。 单片机采用美国 ti 公司生产的 msp430f149 芯片，论文简述了这款单片机的功能和 特点；电能计量芯片采用炬力集成公司生产的三相专用计量芯片 att7022b，论文 详细介绍了 att7022b 的工作原理、外围硬件设计和应用方法；蓄电池电压采集采 用继电器采集方案，不仅实现了蓄电池电压的高精度采集，而且实现了电气隔离； 蓄电池电流采集采用霍尔电流传感器方案，不仅实现了蓄电池电流大小的高精度采 集，而且实现了电流方向的准确判断；gprs 模块选择华为公司的 gtm900 模块， 通过标准 at 指令实现现场实时数据和告警数据的上传和响应服务器发出的指令。 故障显示主要通过 led 的颜色判断。 在设计过程中，要考虑到各方而的因素，不能仅从理论方而进行设计，还要结 合到实践、考虑到具体应用，只有这样才可以做出符合现实需要的产品。尽管本文 设计满足系统的要求，但还存在诸多需要多改进之处，文中也可能存在一些不足及 疏忽之处，欢迎批评指正。 5.2 展望 本设计采用了 gprs 模块的 gtm900 无线通信模块与 msp430f149 进行通信。 但是，随着 gprs 技术的发展，现在有更加简单快捷的模块进行通信，如 dl6100,dl6200 等，即使不懂 gprs 无线通信和互连网络知识的人也能很好的利用 gprs 技术为工控项目服务。msp430f149 单片机片上资源比较丰富，这使得课题 外围电路相对简单，还留有大部分 i/o 口以便今后扩展。虽然要求设计只采集一路 信号，但是本设计可以不同信号多路采集，及时在其他的方面应用依然方便快捷。 石家庄铁道大学毕业设计 43 石家庄铁道大学毕业设计 44 参考文献参考文献 1 韩斌杰。gprs 原理及其网络化。北京：机械工业出版社，2003 2 郅刚，基站的开发式信息化管理。通信管理与技术，2008 3 黄一平。td-scdma 基站运行与维护。科学出版社 2010 4 gprs 无线模块开发板使用说明书。九九新电子 2011 5 沈建华，杨艳琴，翟晓曙。msp43o 系列 16 位超低功耗单片机实践与系统设m 。清华 大学出版社，2005 6 胡大可。msp43o 系列 flash 型超低功耗 1 位单片机m。北京:北京航空航大大学出版 社，2001 7 魏小龙。msp430 系列单片机接口技术及系统设计实例m。北京:北京航空航大大学出 版社，2002 8 魏灵坤，刘志军，胡春华。att7022b 的功能及其应用技术研究。科技创新导报，2008 9 崔娟，李平舟，孙磊等。基于 att7022b 高精度智能电表的设计。电子科技，2010 10 att7022b 用户手册中文版 2010 11 张瑞占，屈百达。基于 att7022b 三相精确计量智能电能表设计。电子测量技术， 2008 12 朱琳。att7022b 在电力参数测量中的应用。测量技术 2007 13 郝静，尹维春。基于 att7022b 的多功能防窃电三相电能表。东北电力大学学报， 2007 14 孟秋宁。移动通信电源中蓄电池组的运行与维护。网络与信息，2008 15 孙步胜，孙延春,基于单片机 msp430f149 的蓄电池检测仪,仪表技术与传感器，2007 16 phone l,channel allocation for gprs with buffering mechanisms.wireless networks,2003 17 hirai j,kim t-w.wireless transmission of power and imformation for cableless linear motor drive,ieee transaction on power electronnics,2000 石家庄铁道大学毕业设计 45 致谢 在查找资料、整理资料和设计阶段都得到了陈东阳老师的大力支持和悉心指导， 多次过问进展情况并提供诸多帮助，同时在论文修改阶段陈老师给予非常有责任心 的关心和指异，多次给出修改意见，使文章能不断提高质量。陈东阳老师严谨务实 的治学态度令本人受益匪浅，陈老师的设计思想也渗透在本文各章节中，而且陈老 师那种具有亲和力的指导方式使我们之间的距离拉得很近，他不仅是我的老师，也 是我的朋友，本论文是在陈老师的亲切关怀与悉心指导下完成的。再次对陈彦平老 师悉心帮助表示感谢!同时，还要感谢我的合作伙伴白琰，她对我的帮助不仅在学习 上，生活中也深深的影响了我，是我更加努力认真的对待身边的一切。 石家庄铁道大学毕业设计 46 附录 1：外文翻译 long-distance supervisory system data terminal research based on gprs 1 introduction with the development of computer technology,internet technology is particularly extensive and in-depth various aspects of peoples lives. make peoples lives has undergone a profound change.as industrial areas, because of the need to control areas, monitoring of a wide range of objects, hence the need to spend a lot of manpower, material and financial resources for equipment maintenance. moreover, there are many adverse conditions, it is not easy to stay the occasional moment of arrival or not some field data collection. if the amount of wiring work it is not the economy, is unreasonable. this has helped wireless communications technology development in the field of remote monitoring. gprs (general packet radio service), as the existing gsm network evolution of the transition to the third generation mobile communication technology for (2.5g), with rapid access, always online, so by the flowmeter features remote real-time data transmission in a sudden unmatched advantages. 2 gprs technology gprs (general packet radio service) is based on the gsm mobile network systems, the use of packet switching technology, compatible with gsm, and high-speed data transmission networks, gprs in the gsm network to introduce a traditional three new components : pcu (packet control unit, a control unit). sgsn (serving gprs support node. gprs service node support) and ggsn (gateway gprs support node. gateway gprs support node) with the following characteristics : the high utilization rate of resources to the introduction of the gprs packet switching mode of transmission, only users send or receive data only during the occupation of resources this means that many users share the same wireless communications and high efficiency, thereby increasing the utilization of resources. gsm 石家庄铁道大学毕业设计 47 circuit switched data transmission methods and models for the entire link period, whetherusers transmit data alone will occupy channel. gprs billing users by the flow of data communications for the accounting standards. gprs data transmission speed of high-speed transmission 57.6kb/s. the highest attainable 115-117.2kb/s fully meet user needs. access to wait for a short time gprs access time is short, fast connectivity, the average 2s. online users will provide real-time line and on-line at the initial state, which will visit service is very simple and rapid. gprs supports ip and x.25 support of the most widely used internet ip and x . 25 agreement, but because of gsm network coverage, makes gprs will provide internet and other wireless access to a global network. gprs features can be seen from the above, the gprs network is particularly suited to the frequent small-volume data transmission. industry remote data acquisition system is a relatively small volume of data typical of the real-time frequency transmission system. 3 system design 3.1 system structure overall system structure like chart 1 shows. serial or user terminal equipment to connect to gprs wireless data terminals, and data termi nal equip ment gprs data termi nal internet gprs network data center equipme nt system structure 石家庄铁道大学毕业设计 48 then labeled as ip packet data. gprs air interface to access through gprs network gateway routing and eventually arrived at through various data centers. 3.2 terminals hardware design gprs data terminal hardware modular design, include the data-processing module, remote communication module. analog-digital conversion module and display module, the system structure is shown in figure 2. data processing module contains at89c553, x25045 two chips, at89c55 for dealing with long-range communication modules, analog / digital converter module and the module data transmission. to ensure that data will not be lost restart. serial e2prom x25045 device used for data storage. remote communication module includes gprs module and sim serial module max3238 three parts. siemens gprs wireless module using the mc354gprs module its function is to connect the data with an antenna or through an order to launch, the data transmission or reception remote monitoring center. to receive further information or to order corresponding to the agreement, sent through max3238 single chip processor, mx3238 starting level conversion and serial communication function due to the absorption method is the gprs network, data transmission, it is indispensable to the sim. function is to store data in a safe condition and complete customer information and ado8032 e2prom x25045 cpu module at89c55 serial interface module show module commun ication terminals hardware 石家庄铁道大学毕业设计 49 customer identification authentication encryption algorithm as a whole. analog-digital conversion module of the analog signal processing functions will be converted to digital, microprocessor as information sources ad0832 chip circuit design using the chip as the analog-digital conversion. ad0832 first converted into analog signals into digital, and then sent t89c55 chips and handling. when the module is mainly on account management staff to inspect the scene, they can facilitate real-time understanding of the situation. management system using a special keyboard and led display, intelligent control hd7279a. hd7279a processor uses serial interface, the interface circuit and the external circuit - simple. i occupied lines, only 4, with low cost and high performance. 3.3 terminal software design data terminals must possess the following basic functions : automatic download the gprs network. automatic data centers to the sim imsi and its dynamic ip address for data transmission. 3.3.1 serial driver data terminal is due to the mcu. serial communication must begin from the bottom gprs download and eventually achieve data transmission. serial opened serial driver (open comm) closed serial (close comm) reading serial data (read comm), wrote to the serial data (write comm) interrupt (interrupt uartrxisr). 3.3.2download gprs network at command set to support gprs modem its initialization, initialization can be successful for dial-up connections. gprs and dial-up modem initialization process is as follows : at+ipr=38400; 4003rd regard for the baud rate setting 38400b/s, default values for 9600b/s. at+cgclass= “b“; 4003rd mobile terminals for the b category, with gsm and gprs internet voice function, however, they can not use that can automatically switch 石家庄铁道大学毕业设计 50 at+cgdcont=1, “ip“, “cmnet“; 4003rd installed gprs access gateway, modem return “310d“ said initialization successful. send “atdt*99*1#“ if modem return “310d“ said successfully connected gpr s network. 3.3.3 network consultation ggsn and modem communication followed with ppp. after the first modem dial-up communication links with the ggsn for consultations that the point-to-point communication link for the distribution of the parameters, the process followed lcp, pap, chap. ipcp other agreements, lcp for the establishment, structure, testing link connection. pap or chap for handling password verification ;ipcp part of the agreement for the establishment of network protocol environment. and distributed ip addresses. modem will receive its data input terminal for the allocation of ip address fields. data terminals to the data center configuration data frame transmission, this imsi and its dynamic ip address. data center storage to the information received, as under the downlink data from the contact information. 3.3.4transmissions data after network consultation for data transmission. gprs network to support ip protocol and ip data packets through, transceiver to transmit data at this time, terminal system ggsn sent to the ppp ip packet contains all messages will be transmitted to the internet network corresponding ip addresses, thereby completing terminal transmission of data via the internet to remote monitoring center in the process. realization of the difficult process of the system posted ggsn is a difficult process. gate way gprs terminal that is recorded (ggsn) and gateway to lcp, pap,ipcp agreement in the course of our consultations. network consultation process is a complex process, the process is as follows. gateway. gprs dial-up access, the first successful return to a pap req frame, lcp req we sent an empty frame, the agreement forced to the stage of negotiations, then gateway 石家庄铁道大学毕业设计 51 gprs send lcp installed frame, we reject all requests to install and test mode pap or chap certify gprr gateway option, we will accept only the pap, pap user name or password and then verify the process, if successful, message gateway gprs will return ipcp dynamic allocation of ip addresses. gateway gprs time to finish the consultation process . 5 conclusion remote monitoring technology in the field of industrial control applications are extensive, in the power system. network ignite oil investigation, irrigation, transportation and other areas has a very important role, using gprs wireless technology makes real-time monitoring system reliability has been greatly improved. intelligent monitoring system to further promote the industrial and information technology. 石家庄铁道大学毕业设计 52 基于 gprs 远程监控系统数据终端的研究 引言 随着计算机技术的发展，特别是 internet 技术广泛应用到人们生活的各个方面， 使人们的生活发生了巨大的变化，从工业控制领域来讲，由于需要监控的区域广、 监控的对象种类多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护，而且 有许多环境恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方不经常的采集一些现场数据， 如果进行大量的拉线工作则是不经济、不合理的，这就推动了无线通信的技术在远 程监控领域的发展。 gprs（通用分组无线业务），作为当前的 gsm 网络向第三代移动通信技术转换 的过渡技术（2.5g）具有接入快速、时刻在线、按流量计费等优点，在远程突发性 数据及时传输中有不可比拟的优势。 2 gprs 技术 gprs（general packet radio service）通用分组无线业务，是在 gsm 系统的 基础上建立的移动网络系统，他使用分组交换技术，能兼容 gsm，并且能在网络上 传输高速数据，gprs 在传统的 gsm 网络中引入了 3 个新的器件：pcu（packet control unit，分组控制单元）、sgsn（serving gprs support node，gprs 服务 支持节点）和 ggsn（gateway gprs support node，gprs 网关支持节点），gprs 通 信具有以下特点： 资源利用率高 gprs 引进了分组交换的传输模式，用户只有在发送或接收数据 期间才占用资源，这就是说多个用户可高效率地共享同一无线通信，从而提高了资 源的利用率，而 gsm 传输数据方式为电路交换模式，在整个连接时期内，用户无论 是否传送数据都将独自占用无线信道。gprs 用户的计费按通信的数据流量为计费标 准。 传输速度高 gprs 数据传输速度可达 57.6kb/s，最高可达到 115-117.2kb/s， 完全可以满足用户应用的需求。 接入时间短 gprs 接入等待时间短，可快速建立连接，平均为 2s。 提供实时在线功能 用户将初始处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非 常简单、快速。 支持 ip 协议和 x.25 协议 gprs 支持 internet 上应用最广泛的 ip 协议和 x.25 协议，而且由于 gsm 网络覆盖面广，使得 gprs 能提供 internet 和其它分组网 络的全球性无线接入。 石家庄铁道大学毕业设计 53 从上述的 gprs 特点可以看出，gprs 网络特别适合于频发小数据量的实时传输。 工业的远程数据采集系统就是一个比较典型的频发小数据量的实时传输系统。 3 系统设计 3.1 系统结构 整个系统的结构如图 1 所示。 系统结构 用户终端设备通过串行接口或无线通讯方式连接到 gprs 数据终端上，然后将数 据打成 ip 包，再通过 gprs 空中接口接入到 gprs 网络，最终通过各种网关和路由到 达系统数据中心。 3.2 终端硬件设计 gprs 数据终端的硬件结构采用模块化设计，共包含数据处理模块，远程通信模 块，模数转换模块和显示模块四部分，系统结构如图 2 所示。 数据处理模块主要包含 at89c55，x25045 两个芯片，at89c55 用于处理与远程 通信模块、模/数转换模块和显示模块间的数据传输，为了保证数据不会因为掉电而 丢失，采用串行 e2prom 器件 x25045 对数据进行存储。 远程通信模块主要包含 gprs 无线模块、sim 卡和串口模块 max3238 三部分， siemens gprs 无线模块采用 mc35gprs 模块，其功能是将数据或命令通过与其连接 天线发射出去，或接收远端监控中心发送的数据，再将接收到的数据或命令进行相 数据 终端 设备 gprs 数 据 终 端 数据 中心 设备 gprs 网络 internet ad0832 e2prom x25045 中央 处理 模块 at89c5 5 串行接口 模块 显示模块 通信模 块 gprs 终端硬件结构 石家庄铁道大学毕业设计 54 应的协议处理后，通过 max3238 送入单片机进行处理，mx3238 起电平转换和串行通 信的功能，由于传输数据的承载方式是 gprs 网络，所以 sim 卡是不可缺少的，功能 是存储数据和在安全条件下完成客户身份鉴定和客户信息加密计算的全过程。 模数转换模块的功能将采集到的模拟信号转换成数字量，它被看作是单片机处 理信息源，电路设计时采用了 ad0832 芯片作为模数转换芯片，先将模拟信号送入 ad0832 转换成数字量，再送入 t89c55 芯片进行计算和处理。 显示模块主要是考虑到当现场有管理人员巡视时，可以方便实时地了解现场情 况，系统使用了一种管理键盘和 led 显示器的专用智能控制芯片 hd7279a，hd7279a 与处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路电简单，占用的接口线数目少， 只需 4 条，具有较高的性价比。 3.3 终端软件设计 数据终端必须具备以下基本功能：自动登录 gprs 网络，自动向数据中心注册动 态 ip 地址和 sim 卡的 imsi 号，进行数据传输。 3.3.1 串口驱动 由于数据终端是用单片机实现的，必须从底层的串口通信开始逐渐实现 gprs 登 录，最终实现数据的传输，串口驱动实现打开串口（opencomm）、关闭串口 （closecomm）、读串口数据（readcomm）、向串口写数据（writecomm）、串口中 断（interrupt uartrxisr）等。 3.3.2 登录 gprs 网络 通过 gprs modem 支持的 at 命令集对其进行初始化设置，初始化设置成功后即 可进行拨号连接，gprs modem 的初始化及拨号过程如下： at+ipr=38400； /把波特率设置为 38400b/s，默认值为 9600b/s。 at+cgclass=“b”； /设置移动终端的类别为 b 类，即具有 gprs 上网和 gsm 语音功能，但二者不能 同时使用，可自动切换。 at+cgdcont=1，“ip”，“cmnet”； /设置 gprs 接入网关，如果 modem 返回“310d”则表示初始化成功。 发送“atdt*99*1#”若 modem 返回“310d”则表示成功接通 gprs 网络。 3.3.3 网络协商 ggsn 和 modem 通信时遵循 ppp 协议，modem 拨号后首先要与 ggsn 进行通信链 路的协商，即进行点到点的各种通信链路的参数配置，协商过程遵循 lcp、pap、chap、ipcp 等协议，其中 lcp 用于建立、构造、测试链路连接，pap 或 石家庄铁道大学毕业设计 55 chap 用于处理密码验证部分；ipcp 协议用于设置网络协议环境，并分配 ip 地址。 modem 接收到 ip 后将其存入数据终端的配置地址域，数据终端向数据中心发送配置 后的数据帧，告知其动态 ip 地址和 imsi 号，数据中心存储收到的信息，作为下传 数据的联络信息。 3.3.4 传输数据 网络协商之后即可进行数据传送，gprs 网络支持 tcp/ip 协议，所以通过收发 ip 数据包来传送数据，此时，终端系统向 ggsn 发送的所有包含 ip 报文的 ppp 报文 都会被传送给 internet 网中相应的 ip 地址，从而完成终端系统向远程监控中心通 过互联网传输数据的过程。 系统实现的一个难点是登录 ggsn 的过程，即终端系统登录 gprs 网关（ggsn） 并与网关通过 lcp，pap，ipcp 协议进行协商的过程。 网络协商过程是一个复杂的过程，协商过程大致如下，在拨号成功连接后 gprs 网关首先会返回一个 pap req 帧，我们发送一个空 lcp req 帧，以强迫进行协议协 商阶段，随后，gprs 网关发送 lcp 设置帧，我们拒绝所有的设置并请求验证模式， gprr 网关选择 chap 或 pap 方式验证，我们只接受 pap 方式，然后进行 pap 验证用 户名或密码过程，如果成功，gprs 网关会