毕业设计（论文）-基于PLC的远程监控的设计与研究.doc

基于PLC的远程监控的设计与研究DESIGN AND RESEARCH FOR REMOTE MONITORING SYSTEM BASED ON PLC专 业： 电气工程及其自动化姓 名： 指 导 教 师： 申请学位级别： 学 士论文提交日期： 2013年6月10日学位授予单位： 天津科技大学摘要在现在经济快速发展的条件下，传统的电网已经不能再满足电力行业急剧增长的需求，智能电网已经毫无疑问的成为了新的发展方向。以现在国内外的情况来看，电网已经成为一个国家工业自动化、信息化社会实现可持续发展的基石和重要组成成分。也就是说国家智能电网的未来前景是非常令人期待的。 智能电网时代的SCADA技术是以设备对象和网络模型为核心的理念来进行设计的，它具有处理面广、人工智能化水平很高的明显优点，并且具有方便的拓展性，在这基础上能够方便的扩展出非常多的功能化模块，比如电厂脱硫的监视、新能源的综合监测等，而不必要增加一些另外的应用或系统。这种技术能够为智能电网的调度技术支持系统及智能电网调度自动化生产运行提供坚强的技术支撑，有利于促进我国智能电网的全面发展。由调度中心收集的网络信息必须要通过相应的应用软件的处理，以便最终实现调度生产过程中的各种各样的方式。在已经掌握一些现有的应用软件的条件下，调度员可以很快的监测到电网在运行过程中的各种状态，可以很快并且很方便地分析电网实时运行的稳定性和经济发展的趋势，在事故情况下尽快的完成相应的判断、决策，才能够对遥远的厂，站实施有效的远程控制和远程调整。 本课题针对电网调度自动化系统的管理和监控，详细分析和说明了SCADA系统中的软硬件设计，并对SCADA系统及其发展和SCADA系统应用于电网调度自动化系统中的若干相关技术进行了初步的研究。针对电网调度自动化系统工作原理，详细的分析和描述了SCADA系统的硬件和软件的设计，初步研究了SCADA系统和SCADA系统的设计在电网调度自动化系统中的一些相关技术。 SCADA系统其实是一个实时数据监控与数据采集分析的系统。通过对SCADA仿真系统的研究，让我们对SCADA仿真系统有一个比较具体的了解，熟悉SCADA仿真系统的发展历程，当前的发展状况以及未来的发展趋势。充分体会到了SCADA仿真系统在国家电网调度中发挥的不可或缺的作用。关键词: SCADA; 电网调度; 仿真；智能电网；自动化ABSTRACTBased on Conditions of rapid economic development, the traditional power grid can no longer meet the demand of the rapid growth of the power industry, smart grid,has no doubt become the new direction of development. To domestic and foreign situation, the grid has become a national industrial automation,information technology community to achieve sustainable development of the cornerstone and important component. In other words, the future prospects of the national smart grid is very exciting.The smart grid era of SCADA technology is based on the device object and the network model as the core concept to design, it has a wide treatment surface,the obvious advantage of the high level of artificial intelligence, and has a convenient expansion in this basis canfacilitate the expansion of a very large number of functional modules, such as desulfurization plant monitoring, energy monitoring, and unnecessary increase in some other application or system.This technology can support the automation of production and operation of thesystem and the smart grid scheduling for smart grid scheduling technology to provide strong technical support and help to promote the comprehensive development of Chinas smart grid.Network information collected by the dispatch center must pass the appropriate processing of the application software, so that the final scheduling of the production process in various ways. Conditions have mastered some of the existing application software, the dispatcher can quickly monitor the various states of the power grid during operation, you can quickly and easily analyze the grid run-time stability and economic development trends the completion of the judgment, decision making, as soon as possible, in the case of accident to be able to implement effective remote control and remote adjustment distant plant, station. The topic for the management and monitoring of the dispatching automation systems, a detailed analysis and description of the SCADA system hardware and software design, and the SCADA system and its development and SCADA systems used in dispatching automation systems in a number of related technologies conducted a preliminarystudy. Grid dispatch automation system works, a detailed analysis and description of the SCADA system hardware and software design, preliminary study on the design of SCADA systems and SCADA systems in dispatching automation systems in a number of related technologies. The SCADA system is actually a real-time data monitoring and data acquisition analysis system. Simulation of SCADA system, a more specific understanding of SCADA simulation system, familiar with SCADA simulation system development process, the current development status and future development trends. Fully appreciate the SCADA simulation system an indispensable role to play in the national grid scheduling.Key words : SCADA；Power Dispatching ；Simulation；Smart Grid ；automation 目 录第一章 绪论1第一节 远程监控的背景和意义1第二节 远程监控技术的发展和研究现状2第三节 远程监控系统的应用4第四节 本课题研究的内容及意义5第二章 远程监控系统7第一节 远程监控系统基本原理7第二节 远程监控系统构架8第三节 PLC远程监控系统的基本组成10第三章 基于PLC的手机短信息远程监控系统设计12第一节 本系统的设计思想12第二节 本系统的硬件组成12第三节 总体的结构和实现功能15第四节 PLC主控模块设计15第五节 窗户控制模块的设计16第六节 防盗报警模块的设计18第四章 基于PLC的远程监控系统的程序设计20第一节 发送短消息的GSM07系列协议简介20第二节 程序设计20第五章 结论与展望31第一节 结论31第二节 展望31参考文献33致谢34IV天津科技大学2013届本科生毕业设计第一章 绪论第一节 远程监控的背景和意义伴随着经济全球化的进程和网络技术的快速地发展，市场竞争日益剧烈，企业的生产、销售和服务规模不断地扩大。企业间的竞争开始向产品的创新能力、产品的质量和维修服务的水平等多元化的方向发展。在当今的全球市场中，设备的技术维修与售后服务已经成为了制约现代化企业的生产能力和影响客户对产品的满意程度的重要因素，也成为了决定企业利润和产品品牌的重要因素。设备制造行业不仅要求技术创新，提高产品质量和开发新产品，而且还要在产品的生产使用过程中，提供全生命周期的技术支持、实施设备的终生保修政策。这一发展趋势的兴起，使得设备制造企业开始从制造型向制造、服务型的不断转变，也促使着设备制造商在产品的生产研发中加入远程监控功能，使得技术服务费用大幅度降低；对设备使用型企业而言，对潜在的设备故障，远程监控通过E-mail、手机短息等方式进行预警，大大缩短了设备维修服务的响应时间。远程监控技术的发展，推动着控制技术向网络化、分布性和开放性的方向发展，并实现了跨地域的资源共享，这种趋势使远程监控系统功能的扩展性能不断提高，使用更加灵活、更加简便。远程监控技术在远程办公、远程交流、远程技术支持、远程维护和管理等方面有着出色的发展前景。远程监控技术具备了以下几个特征：1. 远程监控技术可以使异地的智力之源得到充分利用。可以使位于异地的专家通过网络获得远程监控数据，进行分析处理，实现远程监控。2. 远程监控技术可以使异地的物质资源得到充分利用。通过该技术的使用，可以使异地物资资源的共享和远程实验得以实现。3.管理人员采用远程监控技术，可以不必亲临恶劣的现场环境就可以对现场的工作情况进行监视，完成对参数的设置与调整，修复故障等。4. 远程监控技术的应用，可以实现现场运行数据的快速集中和实时采集，获得现场的监控数据，提供了远程故障诊断技术物质基础。在现代化的工农业生产中，远程监控技术被广泛的应用。远程监控的进行有以下几种方式：(1)使用无线电设备进行信号的收发；(2)使用电话线路，利用电话网络，通过双音多频(DTMF)信号载体来传送简的单命令和数据；(3)利用计算机，借助Internet(互联网)进行数据及命令的传输；(4)借助PLMN(公用陆地移动网)的SMS(短信)服务平台或GPRS(通用分组无线业务)的数据业务功能进行数据或命令的传递。 经过三代的发展，移动通信技术GSM(Global System for Mobile Communication)系统是当下移动通信体制中最完善、最成熟、应用最广泛的一种基于时分多址技术的移动通信系统。在远距离监控、数据采集、GPS定位、无线报警、缴费通知等领域，GSM全球移动通讯短信息的传送技术都被广泛的应用。在无线网络覆盖上，与传统的集群系统相比，GSM系统具有无可比拟的优势，另外由于GSM的SMS自身带有传输数据的功能，都使得这些应用得到迅速的普及。由于采用了专用控制信道(DCCH)技术，使得短消息传送业务可以确保被叫方能收到。因此，短消息业务作为GSM网络的一种主要的电信业务，信息传递是实时可靠的。每条短消息的信息容量达到140个八位组(7比特编码，160个字符)不超过140个字节，足以使单个监测指标的信息量得到满足。综上所述，系统通过GSM的短消息业务的使用，来实现远程监控来控制被控对象。第二节 远程监控技术的发展和研究现状一、远程监控的发展通信技术与设备的远程监控模式的发展，二者之间是密不可分，伴随着通信技术的发展，三种远程监控得到了发展。(一)早期远程监控模式如图1.1所示，远程监控人员不能够直观的对现场的生产设备状况进行了解是这种模式的最大的缺点，仅仅依靠现场操作人员的记录对其进行分析推理，那么现场操作人员的主观判断和知识水平对做出的结论有很重大的影响，可靠性不高；另外，这种模式在实现实时的在线监控方面无能为力。现场操作员信函结论现场设备现场操作员文 字记 录远程控制员信函图1-1 早起远程监控模式(二)近代远程监控模式如图1.2所示，跟前一种模式相比，这种模式进步很大。由于现场生产与设备的情况能够比较直观地被远程监控人员所了解，所作出的判断可靠性提高很大；实现实时和在线监控也较容易。然而，由于经过远距离传输后，模拟信号会产生很大的失真，最终严重影响了监控的准确性。因此，该远程监控模式的有效的监控距离有空间上的限制。设备状态传感器模拟信号电话线远程监控人员和模拟信号分析仪操作人员电话线结论图1-2 近代远程监控模式(三)现代远程监控模式如图1.3所示，随着计算机网络通信技术发展，这种模式已经成为了当下最主要的远程监控模式。现场的采样仪器可以将不同传感器的来的模拟量的设备状态转变为数字信号量后，通过网络通信传送给远程监控人员是该模式较为突出的特征。远程监控人员通过使用计算机和DSP(数字信号处理)技术分析处理收到的数字信号，然后对设备的状态进行总结，最后将做出的控制结论给现场操作人员或设备进行反馈。由于经过远程传输后，数字信号的失真度低，时间和空间的影响较小，因此控制结论可靠性高，真正意义上的实时在线远程监控可以实现。现场控制器操作人员设备状态传感器采样数字信号PC/ PLC远程控制人员 图1-3 现代远程监控模式二、远程监控的国内外发展现状远程监控的内容是：本地的计算机通过通信技术对远端的设备进行监测与控制。当下，远程监控系统在工业控制、交通运输、计算机、教育、金融等行业里得到了广泛的应用。能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。按照监控的对象来分，远程监控技术基本上可以被分为两类：计算机的远程监控技术和设备的远程监控技术。其中，设备的远程监控技术所监控的对象是在不同地域分布的生产控制设备，所研究的内容为监测设备的运行状态，设备远程监控的是研究的较早，也较为成熟的技术，在工业控制领域有着非常广泛的应用。设备的远程监控技术是当下国内外都展开深刻研究的前沿课题。1997年一月，斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于因特网的工业远程监控的研讨会。此次会议主要讨论了有关远程监控系统的开放式体系、传输协议及对用户的合法限制等，并对技术未来的发展前景作了展望。此外，密歇根大学在互联网上建立了一个宣传点，积极地开展了针对机械加工中远程监控和制造系统的研究工作。 在国内，许多的高校也开展了针对远程监控技术的研究。目前，西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、上海交通大学等知名高校都在向国外先进水平看齐，已经着手或准备从事工业领域的远程监控的研究工作；华中理工大学也在1997年初开始了前期研究工作，并于同年11月在互联网上设立了一个远程控制宣传点，并以同年11月在因特网上设立了一个远程诊断宣传站点，向国内介绍远程监控技术，并通过技术示范的方式向用户提供有限的远程监控服务。与此同时BENTLY、ENTEK、SOLTRAN等大公司也纷纷向中国市场推出他们最新的网络化的设备状态监测产品，这对于提高我国的远程监控设备的水平，增进我国各个领域的诊断设备故障网络化起到了相对积极的作用。第三节 远程监控系统的应用远程监控系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为以下几个方面。(1)煤气，天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监控：发电机组，变电站，供电所的远程监控；煤气、天然气管线压力；温度、流量等远程监控；石油开采中油井各种参数的远程监控等。(2)车辆状态远程监控：如车辆位置/时间，运动方向/速度监测，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监测等。(3)自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监控；在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监控；关键的机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控，超限报警。(4)对人体有害的环境下的远程监控：化工厂周围的空气质量的远程监控，噪声严重区域的噪声远程监控和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监测点的资料上传。(5)通风设备，制冷设备等的远程监控：冷库/仓库的远程监测，矿井通风设备，探矿设备的远程监控。(6)水库大坝、水闸、供水系统的远程监控：河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监控这些状态数据意义重大。(7)各种信息查询系统：交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。目前远程监控主要有以下几种方式：短距离长线监控；通过市话网；通过Internet网络；通过自组网络(CDPD网)；通过无线数传电台方式。第四节 本课题研究的内容及意义将手机短信息与PLC的控制进行结合是本课题的主要研究方向，它实现了基于PLC的手机短信息的远程控制、状态查询以及PLC向手机发送短信息、报告的发送等功能，构建了一套远程的交互系统，在家庭环境的远程监控和实现智能化家居方面，根据具体的情况可以很方便的实现对功能的扩展，因此具有较高的实用价值。随着社会的信息化程度的不断发展，信息家电已经被越来越多地应用于人们的生活中，智能化家居的概念也随之提出。智能家居系统是一个把互联网、信息家电、家居自动化和家庭安全防护防盗等技术有机地结合到一起的高新技术，是智能化、人本化的集成型开放式家居系统。未来的家居智能化和网络化是必然的发展趋势。家居智能化的一个分支就是对家庭设备进行远程监控。当前一个热点的社会问题就是怎样建立一个低成本、高效率的家居智能系统。人们希望能够在家中煤气泄漏、起火、小偷入侵时报警；希望在回到家前启动家中的空调以调整到适当的温度；希望人外出时能够查看窗户有没关好。由于有了如上的考虑，此次课题研究的建立基于PLC的手机短信远程监控系统在实际应用GSM短信息对家居环境进行远程控，实现家居的智能化就有了很大的意义。用户手机防盗报警模块GSM通讯模块(TC35i)空调控制模块PLC窗户控制模块阀门控制模块温度检测模块图1-4 应用设计通过GSM短信息系统的使用来进行无线通信，实现远程监控，具有节约维护费用、节约建设费用、节约使用费用、方便实施等优点。由于PLC具有稳定可靠、功能齐全、应用灵活方便、价格便宜、操作维护方便等优点，因此该监控系统的各控制单元的核心控制元件我们选用PLC，GSM短信息模块是PLC与用户手机之间数据传输的媒介，由PLC和GSM短信息模块共同构成系统的中心控制模块。整个家居远程监控系统由GSM短信息模块、PLC和各功能子模块构成。主控单元PLC通过GSM短信息模块来控制接收用户手机所发送的短信息，依据短信息的内容控制各子功能模块；同时也可以通过GSM短信息模块对主控PLC将家居系统的状态情况以短信息形式发送给用户手机。由上述的设计思想构建的在家庭远程监控中基于PLC的手机短信远程监控系统的应用设计如图1.4所示。此次设计主要介绍窗户控制模块和防盗报警模块。 第二章 远程监控系统第一节 远程监控系统基本原理一、远程监控系统原理模型远程监控技术是计算机技术、网络通信技术和控制技术的结合的一门先进技术。信息技术发展使得远程监控技术得以快速发展。远程监控技术是远程监测和远程控制的结合，远程监测是指远程获得被监控资源对象的数据信息，远程控制是指远程发送命令控制现场资源对象的运行状态。一个远程监控系统通常由远程监控端系统、远距离数据传输、现场监控端系统构成，基本结构模型如图2-1所示。三个子系统分工合作，共同实现对远程资源的监控。远程监控端现场监控端互联网络 图2-1 远程监控系统模型(一)远程监控端系统远程监控端系统是用户与被监控资源进行交互的远程接口。主要功能包括远程资源状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参数的状态数据进行必要的处理，以及其他操作。(二)远距离数据传输系统远距离数据传输系统作为远程控制信息和状态信息的传输通道，传输各种控制命令数据、监测数据和图像数据。传输系统的作用有两个：一方面传输系统将监控端的控制信息传送到现场的控制主机，使现场控制主机能对资源进行实际的控制；另一方面将现场资源的状态信息实时地传输到监控端，使操作人员通过对现场资源状态的了解，决定下一步操作。(三)现场监控系统现场监控系统是直接对现场资源进行监控的系统。现场监控系统根据远程监控系统的控制数据对资源进行控制，实时监测资源的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道送回到远程监控端。二、远程监控系统性能分析远程架空系统的性能指标主要有：实时性、可靠性、稳定性、安全性。只有保证了这些性能，远程监控系统才能快速、准确、稳定、可靠地运行。远程监控系统的各个性能指标的影响因素进行简要的分析。(一)实时性分析实时性是远程监控系统的一个重要的性能指标。一个系统的实时性通常采用“响应时间”来定量描述。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的时间。响应时间越短，系统的实时性越好。在远程监控系统中，传输的数据是命令数据、状态反馈数据(监测数据和图像数据)，主要是这些数据的传输对实时性产生了影响。对于命令数据和监测数据，由于数据发送时间远小于数据传输时间，所以数据传输时间是影响实时性的主要因素。而对于图像数据由于数据量较大，还要考虑数据的发送时间对实时性的影响。(二)可靠性分析远程监控系统的可靠性主要是指远程监控终端系统、传输系统的传输可靠性和现场监控系统的可靠性。对于远程架空来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。而传输系统的可靠性取决于传输的介质与传输方式等因素。例如互联网不是可靠的，可能导致数据在传输过程中发生丢失，导致远程监控失效。这就要求监控端设置超时时间，当监控端的命令发出后等待响应的时间超过了规定的时间，就重发命令。(三)稳定性分析稳定性是指现场监控系统在监控终端的监控下，能够稳定的正常运行。数据传输的错误有可能导致系统出现不稳定状况，传输系统可能由于外界干扰等原因使得数据传输错误，导致了对现场控制出现不可预测的结果，从而影响系统的控制稳定性，所以系统必须要有容错机制保证系统正常稳定的运行。(四)安全性分析在远程监控系统中，由于各种数据都是通过网络传输的。而网络上传输的各种数据可能会遭到窃听、篡改等攻击，这就使得远程监控系统存在安全隐患。攻击者可能利用系统的安全漏洞，对远程资源进行非法操作。所以需要使用必要的安全措施来保证数据传输的安全性。例如：对数据加密传输，对用户授权操作等。第二节 远程监控系统构架一、远程监控系统基本结构随着计算机网络特别是互联网的迅速发展，分布于不同地理位置上的计算机都可以通过计算机网络连接起来。网络上任意一点上的计算机资源都可以通过网络连接来访问。因此，远程监控系统通过网络能够实现对计算机资源的无地域和时间限制的访问控制。远程监控系统基本结构如图2-2所示。通过远程监控系统，管理人员和被监控资源对象之间建立了信息传输通道。管理人员对被监控资源的访问、控制等命令信息由监控端系统通过网络传送到现场监控系统，现场监控系统根据具体的命令信息对被监控资源对象进行相应的操作；来自被监控资源对象的相应信息和告警信息都是由现场监控系统通过网络传回给监控端系统。管理人员远程监控端现场监控端资源INTERNET图2-2 远程监控系统基本结构二、远程监控管理体系结构远程监控系统在体系结构上借鉴SNMP协议的分布式管理体系结构，参照SNMP的管理者-代理(Manager-Agent)结构来构建管理体系结构。代理位于现场控制端，实现对资源的直接访问控制；管理者位于远程监控端，通过与代理通信来间接实现对资源的远程监控。一个管理者可以对应一个代理，也可以对应多个代理，每个代理分别对不同类型的资源对象进行访问控制。管理者作为资源的远程监控者，负责向代理发出管理操作命令，并接受来自代理的反馈信息或告警信息。同时管理者还需要负责用户访问授权、日志管理等工作。代理作为资源的现场监控者，主要负责接收、分析管理者发送的命令，并将管理者的命令转化为本地指令对资源进行读取、修改等操作，同时可以实时监控资源的运行状态，在资源发生异常或故障时，向管理者发出告警信息。在管理者-代理的体系结构上，将管理者和代理设计为几个对等的功能层次，每层实现相对独立的功能。如图2-3所示，管理者和代理的网络接口层实现二者的直接数据通信，其余三层实现对等的功能。数据表示层数据处理层安全处理层网络接口层网络接口层安全处理层数据处理层访问控制层ManagerAgency图2-3 系统功能层次在管理者端，数据表示层负责从用户获取资源访问命令，并将数据处理层提供的资源信息显示在用户界面上；数据处理层负责命令数据包的构建和响应信息数据包解析、日志记录等数据处理过程；安全处理层负责数据的加解密，用户认证、访问权限设置等功能。网络接口层负责数据包发送接收以及告警数据侦听。在代理端，网络接口层主要负责与管理者通信，接受命令、传送相应数据和告警信息；安全处理层负责数据的加解密；数据处理层负责解析管理者的命令，将命令消息转化为本地指令以及相应数据包的构建；访问控制层实现对资源的访问控制，并将相应数据传递给数据处理层。第三节 PLC远程监控系统的基本组成一、PLC远程监控系统元件采用PLC实现现场数据的采集与控制。同时，PLC具有RS-232标准串口可与下位工控机相连，实现数据的通信。采用工业控制计算机IPC，与PLC一起组成两级式计算机控制系统，负责完成对现场数据的监视，并通过工业MODEM与上位计算机进行通信。为适应现场的环境，能够抗强电磁干扰，选用了工业MODEM来完成线路的连接。两个MODEM采用专线方式分别与上位机、下位机相连，而MODEM与MODEM之间通过已有的微波线路连接，根据实际微波线路调整MODEM的设置。在单位原有微波线路的基础上，占有其中的某两个频率段来完成数据的远程传输。由于实际设备的调制和解调是分开的。每个都有两条线，所以上位的MODEM和下位的MODEM相连时，调制和解调线要交叉。二、系统设计通过标准串口，将下位机与PLC相连，根据工艺要求完成对PLC的组态，包括60个模拟量输入，30个模拟量输出，30个数字量输入和20和数字量输出。工业MODEM完成通信线路的建立。数据通信方式有两种选择：一是采用编程方式，实现数据的远程传输；另一种是PLC通过通信线路连接上位机，直接获取数据。下位机与上位机之间的通信程序如图2-4和图2-5所示。图2-4 下位机端的程序框图图2-5 上位机端的程序框图第三章 基于PLC的手机短信息远程监控系统设计第一节 本系统的设计思想由于PLC具有稳定可靠、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，因此PLC作为一种高性能的控制装置，在分布式系统中得到了越来越广泛的应用。在这种控制系统中PLC可以采用多种方式，如直接采用现有的组态监控软件与上位机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性能价格比的通信方法，具有积极的实际意义。短消息服务业务作为6SM网络的一种基本业务，己得到越来越多系统开发商的重视。基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来，以手机为控制器，以手机短信(SMS)的形式借助GSM网络来搭建与PLC的远程交互平台显得很有意义，具有易携带、实用简单方便、网络覆盖面广、资费低廉等突出优点。本系统实现了用户以手机发送短信息的形式，通过GSM模块与PLC控制器的数据通讯，调用相应的控制程序来实现控制目标的远程控制和状态查询等功能，在生产生活中都有很大的应用空间，如智能家居、汽车防盗、商场、自动售货机、厂矿、水文气象站等。第二节 本系统的硬件组成本系统的硬件组成部分主要由可编程控制器(PLC)、GSM短信息模块、手机及各个子功能模块组成。 一、PLC的选型本系统选用的可编程控制器(PLC)是三菱FX2n系列微型可编程控制器，因为日本三菱系列的中小型PLC，主机及外部模块品种齐全，质量可靠，功能强大，价格适中。FX2n系列是小型FX系列PLC中的最新品种，具有微型化和极高的速度。FX2n基本单位有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2n单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点。FX2n具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制、位置控制。有多种RS-232C、RS422、RS485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。FX2n具有较强的数学指令集，使用32位处理浮点数。具有方根和三角几何指令满足数学功能要求很高数据处理。 二、短信息模块简介本系统采用的GSM短信息模块为西门子的TC35i短信息模块，西门子的TC35系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证，所以本设计选用的是西门子TC35i。TC35i是西门子为适应各个专业领域对无线数据传输、语音传输及可开发性的需求推出的基于GSM900移动通信网络系统的OEM模块，功能上与TC35兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35i与GSM 2/2+兼容、双频(GSM900/GSMl800)，RS232数据口、符合ETSI标准GSM07.07和GSM07.05且易于升级为GPRS模块，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据，语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，接口协议公开，方便用户的应用开发及设计。TC35i模块如图3-1所示，从功能上看主要由4部分组成：GSM基带处理器、GSM射频部分、电源A-SIC(Application Specific Integrated Circuit)、Flash。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片收发器SMART，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器(up-conversion modulation loop transmitter)、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送等处理。GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3.5mA，而在通话期间电流最大可达2.3A，这就对供电电路提出了较高的要求。GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压VBATT+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外它还输出一个2.9V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以直接使用外部的输入电压VBATT+。Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。天线插口GSM基带处理器GSM射频部分FLASH40芯ZIF连接器电源ASIC天线 图3-1 西门子的TC35i模块的结构示意图TC35i共有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。第1-14脚为电源部分，其中1.5为电源电压输入端VBATT+，6-10为电源地GND，11、12充电引脚，13对外输出电压(供外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻；24-29为SIM卡引脚，分别为CCIN，CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC和CCGND；33-40为语音接口用来接电话手柄：15、30、31和32脚为控制部分，15为点火线IGT(Ignition)，当TC35i通电后必须给IGT一个大于100ms低电平，模块才启动，30为RTC backup，31为Power down，32为SYNC；16-23位数据输入/输出分别为DSRO，RINGO，RXDO，TXDO，CTSO，RTSO，DTRO和DCDO。TC35i的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，它符合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，硬件握手信号用RTSO/CTSO，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。通过这一接口可以用AT命令切换操作模式，可以使它处于语音、数据、短消息或传真模式。TC35i的SYNC引脚有两种工作模式，可用AT命令AT SYNC进行切换，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，本模块使用的是后一种功能发射状态时的功率增长情况，当LED熄灭时，表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75ms亮/3s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)。在GSM模块为SIM卡预留5个引脚的基础上，TC35i在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作。 三、数据传输模块可编程控制器(PLC)与GSM短信息模块之间的数据传输，采用串口通讯方式，可以将PLC扩展一个三菱FX2n-232-BD通讯板，然后将三菱FX2n-232-001PLC通过串口线与GSM短信息模块相连。RS-232是在任何时候都常用的接口之一。它不仅已经被内置于每台PC机，而且已被内置于从微控制器到主机等多种类型的电脑和与它们连接的设备。串行通信可以分为同步及异步两种模式。同步通信的两端使用同步信号作为通信的依据，而异步则使用起始位及停止位作为通信的判断。目前，采用异步传输模式较为普遍，异步传输只要9支引脚就足够了。如图3-2图3-2 RS-232引脚图RS-232引脚定义为：1 CD 载波检测；2 RD(RXD) 接收字符(从GSM短信息模块到232BD模块)；3 SD(TXD) 发送字符(从232BD通讯板到GSM短信息模块)；4 ER (DTR)数据端备妥；5 GND 接地；6 DSR 数据备妥；7 RTS 要求发送；8 CTS 清除已接收；9 RI 信息检测。第三节 总体的结构和实现功能基于PLC的手机短信远程监控系统在智能家居远程监控中的应用可构成一个独立的家居远程监控系统。利用本家居远程监控系统可以在日常生活中极大的方便人们的生活，本家居远程监控系统可以很方便的通过用户手中的手机，以短信息的形式对家中的空调、窗户、防盗报警模块进行控制，实现家居设施的远程监控。本家居远程监控系统的工作过程如下：当用户需要远程控制家居设施时，只需要用手中的手机向GSM短信息模块中的SIM卡号发送短信息，由于GSM短信息模块与PLC用串口线相连，能够进行串口数据通讯，当GSM短信息模块收到短信息时，PLC利用中断程序查询到GSM短信息模块中有新的短信息，立刻向GSM短信息模块发出AT指令读新的短信息，接着控制各个子功能模块，达到对家居设施的控制，实现用户发送的短信息命令；当用户需要了解家中家居设施的状况时，也只需要用手中的手机向GSM短信息模块中的SIM卡号发送状态查询短信息，当GSM短信息模块收到短信息时，PLC利用中断程序查询到GSM短信息模块中有新的短信息，立刻向GSM短信息模块发出AT指令读查询短信息，接着将家中的家居设施的状态以短信息格式反馈给用户手机。根据以上的设计思想建立的基于PLC的手机短信远程监控系统在家庭远程监控中的应用即家居远程监控系统，系统构成如图3-3所示。GSM网络SMS短信内存操作开关控制状态反馈温湿度查询信息反馈手机TC35iPLC窗户、空调、电灯、防盗模块温度、湿度、检测模块图3-3 系统构成第四节 PLC主控模块设计本智能家居远程监控系统主要的硬件控制部分由三菱FX2n可编程控制器(PLC)和GSM短信息模块组成。GSM短信息模块主要提供无线语音和数据传输功能，外界传输的媒介为GSM网络。本系统主要是利用它的数据传输功能，本系统和用户间的通信就和两个手机用户间通信一样。三菱FX2n可编程控制器(PLC)是这部分的核心，它承担短信息的接收和发送、短信息解释、命令的发送等任务。PLC和GSM通信模块之间通过串口进行通信。GSM通信模块安装了SIM卡，这就是本系统的号码。本系统以三菱FX2n可编程控制器为核心，它的主要任务是完成GSM短信无线终端数据传输模块与PLC进行数据传输，对GSM短信无线终端数据传输模块中的短信息进行解释，而且要根据短信息命令控制各个子功能模块，确保它们可靠有序的工作。GSM短信模块与PLC之间根据GSM短信模块的软件通信协议，实现互相之间的通信，因此PLC主要是对通信协议进行解释，然后去控制各功能子模块。第五节 窗户控制模块的设计本设计中窗户的智能化主要体现在以下几个方面：用户可以发送GSM短信息控制窗户的开、关；该系统能感知下雨，从而自动将窗户关闭；在家时主人可以用按钮控制窗户的开关，方便居民的日常生活。控制电路模块如图3-4所示。接近开关传感器按键PLC直流伺服电动机图3-4 控制电路模块这个系统包括接近开关电路、传感器电路、电机控制电路等几部分。窗户控制系统使得用户可以借助GSM网络的短信息业务实现对窗户的控制过程如下：当用户发送短信息要求关闭或打开窗户时，主控PLC系统通过串口接收GSM短信息模块的指令，先对该信息进行解释，然后执行相应的动作，从而实现了用户在户外使用短信息对窗户的控制。该智能窗户的打开和关闭由直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机正转则打开窗户，逆转则关闭窗户。用接近开关来检测窗户