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基于GPRS的远程电压监测系统终端软件设计南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程系专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期 2011 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于GPRS的远程电压监测系统终端软件设计Design Remote Voltage Monitoring System based on GPRS总 计： 16 页表 格： 2 个插 图： 8 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于GPRS的远程电压监测系统终端软件设计Design Remote Voltage Monitoring System based on GPRS学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 许文慧 学 号： 94107079 指 导 教 师（职称）： 李鉴(讲师) 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology基于GPRS的远程电压监测系统终端软件设计电子信息工程 许文慧摘要：本文主要研究基于GPRS的远程电压监测系统终端软件设计。远程电压监测系统按工作过程可分为三大部分，即电压监测终端设备、GPRS无线网络、后台管理系统。本课题首先研究和分析数据采集方法，在现有交流采样理论的基础上提出了改进措施，设计出符合要求远程电压监测系统终端设备。终端设备通过A/D模数转换芯片MAX197实时采集电压信号，单片机AT89C52处理采集到的电压数据并将结果和实时时钟SD2203对应的时间数据通过GPRS模块H7112发送给后台管理系统，同时也将该组数据保存于外部数据存储器AT24C128中。另外还可通过按键和液晶显示器查询采集到的电压数据，同时还可进行参数设置。关键词：远程监测；GPRS无线网络；单片机；电压Design Remote Voltage Monitoring System based on GPRSElectronic Information Engineering Specialty XU Wen-huiAbstract：In this paper, the main study based on design remote voltage monitoring system based on GPRS. Remote voltage monitoring system can be divided to three parts based on its process, that is the terminal voltage, GPRS wireless-network, computer administration system. The subject first study and analyses the analysis of data collection method. In communication theory, the existing sampling on the basis of the proposed improvement measures, in keeping with a remote terminal voltage monitoring system. A terminal equipment by A/D simulate convert to digital chip MAX197 real-time voltage signal collecting ,AT89C52 processing the collected data and sends the results and corresponding time clock SD2203 real-time data through GPRS module H7112 sent to the management system will also the set data is kept in the external data storage AT24C128. Keywords:Long distance monitor;GPRS wireless network;single-chip computer;computer administration system 目 录1 引言11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内外电压监测系统发展状况12 远程电压监测系统终端的总体设计22.1 远程电压监测系统总体要求22.2 远程电压监测系统工作原理及框图23 远程监测系统终端软件设计33.1 软件编程语言的选择33.2 系统主程序设计43.3 数据采集模块主程序设计43.4 实时时钟子程序63.5 外部数据存储子程序63.6 液晶显示子程序73.7 按键子程序74 系统通信协议84.1 单片机与GPRS模块之间的通信程序设计84.2 无线通信工作方式95 软件系统抗干扰设计105.1 复功能的设定115.2 指令冗余125.3 软件看门狗12结束语13参考文献14附录：远程电压监测原理图15致谢16171 引言1.1 课题研究的背景和意义 随着我国经济的快速发展，改善电能质量已经成为国家政策的重要内容。电压是电能质量的主要指标之一。电压质量对电网稳定及电力设备安全运行具有很大的影响。给用户提供优质的电能是保证用户安全生产、产品质量和设备寿命的前提条件，同时供电电压质量是电力系统电能质量的主要指标之一。而电压监测系统是监测电压保证电压质量的主要手段。 电压监测系统的发展主要表现在抄表方式的发展。早期的抄表方式都是抄表员现场手动抄表，这种抄表方式在终端设备数量相对较少、位置相对集中的情况下效果比较好。但在终端设备数量较多、位置比较分散的情况下，这种传统的手动抄表方式存在着许多缺点，例如在工业现场，一些终端设备可能被放置在距离很远或者是工作环境很恶劣的地方，这些都很不利于抄表人员去现场手动抄表。如果某个终端设备发生故障，工作人员将很难发现，传统的终端设备手动抄写消耗大量的人力物力，效率低下。手动抄表不仅劳动强度大、效率低，还存在抄表不到位、估抄、漏抄、错抄、错算及抄表周期长等问题。所抄的数据要经过人工输入计算机才能进入管理系统，从而降低了现代化管理系统的先进性。正是由于人工手动抄表存在着以上的不足，人们开始寻找新的能替代劳动密集型的人工抄表方法，自动抄表系统也就应运而生了。 远程电压监测系统采用通信、计算机等技术，首先利用电压监测终端设备自动采集电压信号和处理采集到的数据，然后通过无线网络将结果上传至后台管理系统，由计算机对数据进行统计、显示、存储、打印。远程电压监测系统的出现解决了传统人工抄表过程中遇到的许多问题，并且提高了工作效率和数据的准确性。随着近年来计算机技术、网络技术和微电子技术的飞速发展，越来越多的新技术应用于自动抄表系统，它们能够降低设备成本，提高可靠性、准确性和效率，己展现出十分广阔的应用前景。1.2 国内外电压监测系统发展状况 远程电压监测系统是不需要人员到达现场，使用计算机技术、通信技术、网络技术和微电子技术相结合，通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度集成性，软件、硬件为一体，对电压值数据自动正确采集、传输、统计及综合分析的系统。具有抄收速度快、计算精度高、抄表实时性好、可直接与配电网管理系统联网等突出的优点。采用自动抄表系统可以降低抄表人员的劳动强度、降低人为因素造成的抄表误差2。 根据资料显示，目前国外在自动远程抄表方面技术研究得比较早，在配电网建设方面的发展相比于国内要先进得多，但对利用GPRS网络进行远程电压监测的研究时间也不长，但近年来己成为一个研究热点。在国内，利用GPRS网络进行远程监测的研究基本处于研制阶段，很少大范围推广应用及产品出售，但是它代表了今后的一种发展方向，己成为一种比较成熟的技术。 我国远程自动抄表系统的起步比国外晚，20世纪80年代才开始研究远程自动抄表系统。但是近年来，国内远程自动抄表技术发展迅速，并形成了多种自动化抄表方式并存的格局，同样对于利用GPRS网络对配电网的电压监测有了一定的研究。 由于电网分布呈辐射状的特点，采用传统的通信方式，其造价、维护、时效等方面都不能很全面的满足电力用户的需求。然而随着IT技术的发展和成熟，作为公众通信网的全球移动通信网覆盖了全国城乡，利用公众网开展电力信息数据传输，使电压监测与信息领域的前沿技术相结合，利用GPRS网络可形成一个高效、准确、及时的远程电压监测系统。2 远程电压监测系统终端的总体设计2.1 远程电压监测系统总体要求根据用户要求，远程电压监测系统总体需要实现的功能如下:（1）根据要求设置有效电压值的上下限。（2）实时监测现场电压变化，计算采集到的电压值并与系统设置值比较。（3）通过按键和液晶显示设置系统时间参数或查询电压数据信息。（4）建立后台管理系统与终端设备系统的通信结构和网络方案。（5）后台管理系统对接收到的电压和对应的时间数据分类保存、查询、统计和分析。2.2 远程电压监测系统工作原理及框图 系统总体结构框图如图1所示。后台管理系统GPRS模块InternetGPRS网络GPRS模块监测终端设备GPRS模块监测终端设备图1 电压监测系统框图远程电压监测系统分为两大部分:后台管理系统和电压监测终端设备。采用这种设计方式可以实现一个后台管理系统同时监测多个电压监测终端设备，当需要添加监测点时，只需在需要监测的现场安装好电压监测终端设备，同时在后台管理系统中通过软件进行相应设置。电压监测终端设备安装于需要监测的现场，主要采集电压数据信息，并通过国家标准判断电压的稳定状况，保存采集到的电压数据。GPRS网络是后台管理系统与电压监测终端设备之间进行数据传输的桥梁，电压监测终端设备通过RS232通讯接口将处理过的电压数据和对应的时间数据信息发送给GPRS模块，GPRS模块通过GPRS网络及时的把数据发送到后台管理系统。3 远程监测系统终端软件设计终端软件部分相当于远程监测系统终端设备的“指挥中心”。通过编程来控制硬件电路的动作行为。终端设备的软件部分采用Keil C编写任务,通过编程来设定电压采集的参数，比较计算的电压有效值，保存要求的电压值与相对应的时间数据，同时编写人机交换、串口通信等程序。在对远程电压监测终端设备软件设计中，采用模块化设计使得程序结构清晰，又便于以后进一步扩展其功能。终端设备软件由以下模块所组成:主程序、数据采集处理程序、时钟程序、存储程序、键盘程序、显示程序、发送和接收程序等。3.1 软件编程语言的选择 在以往的单片机系统软件设计中，大都采用汇编语言。对于一些小型的控制系统或简单的测量仪表，目前仍采用汇编语言编制软件程序。但在为功能复杂、涉及变量多的大型系统设计软件时，应用汇编语言就存在诸多不利因素。首先工作量大，其次变量多，地址安排复杂，易出错，调试困难，开发周期长，通用性差，可读性差。而采用高级语言进行软件设计，就具有速度快、可靠性高、终端系统软件组成质量好等的优点。 C语言是一种相对比较“低级”的语言，它具备一些过去只有汇编语言才能够实现的功能。起初，C语言主要是用来替代汇编语言编写操作系统、编译器、数据库以及机械控制程序等。随着它自身的不断强化和完善，更由于它具有处理速度快、操作方便等优点，今天已经在科学及工程应用领域中受到了普遍的重视和欢迎，并且在这些领域中发挥了积极的作用。归纳起来，C语言主要具有如下特征:(1)语言简洁、紧凑、使用方便、灵活。C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由。(2)运算符丰富。C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。灵活使用各种运算符可以实现复杂的运算。(3)数据结构丰富，具有整型、实型、字符型、数组类型、指针类型等。同样可以实现各种复杂的数据结构的运算。(4)具有结构化的控制语句。用函数作为程序的模块单位，便于实现程序的模块化。(5)C语言非常容易移植，这也是因为C语言本身比较小，并且一开始就产生于小型计算机。同时还由于C语言本身没有输入输出功能，输入输出是通过库函数来实现的。(6)C语言允许使用递归函数结构，还具有宏定义功能。这一特性极大地丰富了C语言的表达能力。(7)C语言允许用户将自己定义的新命令加入语言之中。实质上，C语言的程序完全是由模块化的函数集合所组成，可以看作是对语言的一种扩充8。基于以上原因，本系统采用C语言作为编程语言。3.2 系统主程序设计主程序是一个无限的循环体。主要完成初始化、终端设备自检、系统运行顺序等任务。系统的初始化部分包括单片机各个端口输入输出的设置、中断设置、外围驱动电路和数据存储电路的初始化等。主程序流程如图2所示。 N开始初始化写入时间数据采集处理数据合格？读入时间，发送数据并保存数据读出时间整点？发送数据并保存数据数据丢弃NY图2 主程序的流程3.3 数据采集模块主程序设计动态调整采样周期的做法是：外部引脚INT1(P3.3)控制T1计数器/定时器的启动、停止，高电平时启动计数器，低电平时停止计数。INT1高电平时，计数器中计得的数值m为单片机12分频的时钟频率Fosc(本系统中采用12MHz的晶振)的周期。则测出脉冲宽度，则采样信号的周期为： （1）连续测量n个周期，取平均值T作为采样周期，当周期变化后新的采样点之间的间隔,则单片机每个时间间隔计数值为： （2）数据采集流程如图3所示。NYNNYNYY开始初始化P3.高电平？开启T1P3.低电平？关闭T1，保存T1值，i+i=n?计算周期T,设置T0,开启T0，启动A/D转换T0溢处？计算测量参数，求电压有效值处理其他程序图3数据采集流程3.4 实时时钟子程序终端设备中的实时时钟SD2203用于提供系统采样、定时、记录不合格信息等的时间基准，是本系统不可缺少的一部分。在第一次使用实时时钟芯片时，要进行初始化。实时时钟芯片的初始化过程包括:（1）电源电压检测电路运行，SD2203中的电源电压监测电路工作并将内部状态寄存器的第7位(电源标志位)置为“1”。当置为“1”后，即使电源电压达到或超过检测电压时，该值也一直保持不变。当电源标志位为“1”时，必须从CPU发送复位命令来初始化该标志位。此时，其他寄存器将不会改变。（2）设置写状态寄存器，当CPU发出开始条件与实时时钟部分建立连接后，CPU通过SDA总线连续输出4位器件地址，3位操作指令和1位读/写指令。即将SD2203的复位指令写入状态寄存器(状态寄存器是一个8位寄存器，用来显示和设置不同的模式，例如时间格式)。(3)实时时钟的读写。对实时时钟芯片初始化之后，可对其进行读或写操作，写操作为时钟芯片校准时间，依次分别写入年、月、日、星期、时、分、秒七个数据到实时数据寄存器中来重新设定时间基准开始计时。读操作主要用于读取时间，先向状态寄存器发送读数据格式的指令，再串行读出寄存器数据。实时时钟写操作时必须注意:(1)软件开始做一个几百毫秒的延时，时钟最少半秒才读一次。(2)时钟的数据传送只能通过单根1/O数据线进行，因此读/写操作必须以串行方式进行，从最低位开始。(3)实时时钟SD2203有两种读写方式(从年数据开始和从小时数据开始)和两种时间格式，因此在读写数据之前必须设置读写方式和时间格式。3.5 外部数据存储子程序 数据存储模块主要完成对各监测点数据的存储，同时能对历史数据读出(即对AT24C128的读写)。AT24C128存储器和SD2203时钟有通用的I2C软件包，其包括启动(Start)、停止(Stop)、发送应答位(ACK)、发送非应答位(NOACK)、发送一个字节数据、接收一个字节数据七个子程序。这里主要介绍AT24C128的数据操作格式。 写入数据:单片机首先将器件的地址和写指令发送到器件的状态寄存器中，然后向存储器写入数据。 AT24C128器件写入时需要10ms。为了提高效率，一般用到页写功能，即可以将同一页面的数据按RAM的写入速度装载到数据寄存器中，写一页的时间也是10ms左右。AT24C128的页面为64个字节。采用页写方式对连续单元写入数据时，要注意跨页问题，因为页写只能在同一页面进行。若连续写入单元跨页面，就会造成将下页的数据写入本页面中低6位地址的单元，即造成页面地址空间的“翻卷”。为了避免跨页造成的数据出错，页写的数据长度应小于64个字节。 AT24C128包括现行地址、指定地址和序列地址三种读操作。在本系统中的电压和时间数据是从现行地址开始连续读出显示在液晶屏上，因此读操作时，首先进行现行地址读，再进行序列读。3.6 液晶显示子程序系统中液晶根据按键的不同显示不同的内容，第一层为主菜单，显示可选择的菜单项。液晶显示时每行可显示8个中文字符，但所要显示的字符少于8个中文字符或是要显示ASCII码字符，因此在显示之前首先清屏(清除显示RAM)。然后输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，即设定DDRAM位置到位地址计数器AC。液晶显示流程如图4所示。开始初始化设置显示存储空间的分配显示功能设置显示数据发送到模块写入数据到DDRAM设置光标地址指针返回图4液晶显示流程3.7 按键子程序按键采用触点式按键开关。当键被按下或是释放时，按键触点的弹性会产生抖动现象,即当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通,当按键释放时，触点也不会立即断开，而是经过一段时间的抖动才能稳定下来。按键的抖动时间一般为5ms-l0ms 。硬件电路消抖增加电路的复杂度，软件消抖完全可以满足要求，软件消抖是通过软件延时 10ms-20ms ,等键定后再判断，避免了触点抖动而达到消抖的目的。按键流程如图5所示。YNYN外部终端1按键扫描有键按下？延时5ms有键按下？等待按键释放键处理子程序返回图5 按键流程4 系统通信协议4.1 单片机与GPRS模块之间的通信程序设计为了有效地进行通信，单片机与GPRS模块必须遵从统一的通信协议，即采用统一的数据格式、相同的传输速率、相同的纠错方式等。帧格式定义了数据完整的通信格式,帧的格式如表1所示。 表1 帧的格式起始符地址域控制码数据长度数据校验码结束符68HA0A1A2A3A4A5CLDATACS16H单片机和GPRS模块之间的接口采用RS232，单片机系统的串行通讯流程如图6和7所示。NY处理其他程序发送完？发送等待发送一个字节设置发送空间首地址及发送字节数指向下一个数据字节波特率设置串口方式设置图6 单片机发送数据流图 NY处理其他程序数据接收完？接收等待设置接收空间首地址及接收字节数指向下一个地址串口方式设置波特率设置 图7 单片机接收数据流程4.2 无线通信工作方式 终端无线通信采用的方案为宏电的H7112模块。利用AT命令对模块进行设置，单片机处理后的电压数据到达GPRS模块时，模块内嵌TCP/IP协议，实现对GPRS业务数据的打包、解包以及发送。TCP/IP协议是一个为广域网(WAN)设计的标准协议套件，但并不完全符合OSI的七层参考模型(应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层)。TCP/IP通信协议可以用一个分成四个层次的模型来描述,数据链路层、互联网层、传输层和应用层1，其分层模型及协议如表2所示。表2 TCP/IP协议应用层HTTP,Telnet,FIT,SMPT,SNMP传输层TCP,UDP互联网层IP,ARP,RARP,ICMP,IGMP数据链路层Ethernet,X.25,SLIP,PPP应用层(application)是TCP/IP协议族的最高层、它包含了所有OR参考模型中会话层、表示层和应用层这些高层的协议的功能。并负责处理特定的应用程序细节，在本系统中只实现HTTP协议。传输层(transport)主要为2台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP/IP5协议族中，有两个互不相同的传输协议:TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)。 TCP协议是为2台主机提供高可靠性的数据通信，这里采用TCP传输控制协议。互联网层(Internet)的功能是寻址、定址、数据打包和安排路径。Internet所有的数据都以IP数据报格式传输，其最大特点是提供不可靠和无连接的数据包传送服务。在GPRS业务中，每一次链接都会具体分配一个IP地址，因此用ARP/RARP协议完成IP地址与物理地址的映射(即地址解析)，用工CMP协议判断网络是否连通。数据链路层(link)，有时也称作网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，其任务是把要发出的帧送到线路中去，把要接收的帧从线路中取出来13。为了保证数据传输的可靠性、完整性，采用了对数据包进行校验。对于通不过校验的包，系统发送命令进行重发。终端GPRS无线模块和后台管理系统之间的通信流程如图8所示。5 软件系统抗干扰设计 软件抗干扰技术是硬件抗干扰技术的补充和延伸，本质是在有干扰存在的情况下，利用编辑技术来抵消其影响，提高系统的可靠性，并且软件抗干扰是比硬件抗干扰更为经济的方法。在终端设备的程序中，采取了几种抗干扰措施。YNYNNYYNYYNN开始启动GPRS模块运行正常？初始化GPRS模块接入Internet?连接后台管理系统数据到达串口，终端GPRS开始接收数据数据有效？数据加密、打包并保存GPRS发送完毕？后台GPRS开始接受数据数据有效？数据解密、解包并保存于数据库中GPRS接收完毕？断开连接结束图8无线通信流程 5.1 重复功能的设定当系统受到外界干扰，可能会改变CPU内部的一些寄存器导致运行出错。(例如:修改了中断类型、中断优先级、串口和并口的设置)在不影响程序连续性的情况下，重复设定功能操作，可以有效的避免CPU的出错。5.2 指令冗余CPU的指令过程是先取操作码，再取操作数。当CPU因受到干扰出现错误时，程序便会脱离正常的轨道，若程序在取指令时刻“乱飞”到某双字节指令的操作数上，会误将操作数当作操作码，程序就会出错。若“飞”到多字节指令时，大大增加了出错几率。因此在关键地方插入一些单字节指令或将有效单字节指令重写可以避免后面的指令被当作操作数来执行，从而确保了程序的正确执行3。指令冗余有以下两种方法:（1）NOP指令的使用: 在双字节指令或三字节指令之后插入两条NOP指令，可保证其后 的指令不被拆散。在对程序流向起决定作用的指令 （如RET、ACALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、 DJNZ等）和对系统状态起决定作用的指令（如SETB、EA等） 之前插入两条NOP指令，使“乱飞”程序迅速纳入正轨。 （2）重要指令冗余: 在对程序流向起决定作用的指令（如RET、ACALL、LCALL LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC等）和某些对系统状态起决定 作用的指令（如SETB、EA等）的后面可重复写这些指令，以确保 这些指令的正确执行。采用冗余法使PC纳入正轨的条件是： 跑飞的PC必须指向程序运行区，并且必须执行到冗余指令。 5.3 软件看门狗“软件看门狗”使用定时中断监视程序运行状态。当系统CPU部受到干扰信号的作用时，将使系统失控。破坏程序计数器PC的状态值，导致程序在地址空间内“乱飞”，或者陷入死循环。软件看门狗产生中断，使程序指针回到初始地址开始执行，可避免CPU出现干扰问题引起的死机问题15。“看门狗”可使程序脱离“死循环”。 软件看门狗的基本思路是：在主程序中对T0中断服务程序进行监视；在T1中断服务程序中对主程序进行监视；T0中断监视T1中断。从概率统计的观点，这种相互依存相互制约的抗干扰措施将使系统的可靠性大大提高。虽然在设计上采用了软件抗干扰的措施，可以在程序受到干扰时尽量减少系统损失，使系统复位或恢复正常运行而不至于造成死机现象，但对于终端设备来说，一旦受到干扰使程序控制不能被完整地执行下去就意味着失败。因此软件抗干扰措施都是辅助手段，是对硬件抗干扰措施的补充，最主要的还是从硬件设计上排除干扰因素避免干扰进入单片机系统。结束语 本文主要针对电网分布广泛，电压监测不方便的现实，设计了一套电网电压监测系统。利用该系统可以实时采集电压信号并计算出有效值，通过GPRS无线通信网络传输至后台管理系统，后台管理系统保存、统计、分析与打印接收的数据信息，实现对电压的自动化管理。本系统建立一个基于GPRS远程无线电压监测系统，能够实现后台管理系统与终端设备的GPRS无线通信。最终设计出来的远程电压监测系统分为终端设备租后台管理系统两大部分。终端设备能够把测量到的电压数据和对应的时间数据通过单片机处理，GPRS模块将数据以数据包的形式发送给后台管理系统;同时可以通过按键操作和液晶显示屏查询测量的电压数据和时间数据，也可以设置系统参数(系统时间参数)。后台管理系统能够成功接收终端设备发送的电压数据和对应的时间数据并且保存于数据库之中，根据情况可随时调出、统计、分析和打印电压数据。综上所述，本终端设备无论在功能和精度上均达到要求，但还需在实用性等方面作进一步工作，计算速度还有加快的余地。要使其真正产品化，能长期在恶劣的现场环境下可靠地运行，还要在软硬件设计上进一步完善，尤其要加强软硬件的抗干扰设计，并在现场进行测试。 最后，限于学识水平，本系统很多细节方面的开发不能够做到非常完美。参考文献1 孔勇，段峥辉.GSM短信电压监测仪的应用分析.电力设备，2005，6(12).2 叶慧萍，李力杭.低压集中抄表系统.农网自动化，2006. 234(11).3l 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化M.北京:机械工业出版社，2003.4 深圳宏电科技开发有限公司，GP