基于GSMGPRS 用电远程监控系统.doc

基于GSM/GPRS 用电远程监控系统作者：王振宇 指导老师：石砦摘要：本文设计并实现了一种基于GSM/GPRS 无线网络的远程用电监控系统。该系统由若干安装在现场的监控终端和监控中心计算机组成。终端通过PPP 协议与远端网关GPRS支持节点(GGSN)协商，建立GPRS 底层数据流通讯，在此基础上又用软件TCP/IP 协议栈封装和解析数据流，从而实现了与互联网的无缝连接。因此，监控中心可以通过互联网与每台终端建立可靠的双向联系。当网络条件不好时，本系统也支持终端和监控中心之间用短消息来通信。本系统可实现远程抄表，实时监控，防窃电，报表打印等功能。关键词：GSM；GPRS；无线通讯；远程抄表Electric Remote Monitoring System Based on GSM/GPRSDesigner:WANG Zhen-yu Instructor:SHI ZhaiAbstract: An electric monitoring system based on GSM/GPRS wireless networkcommunication technology is designed and implemented in this article. The system consists of several monitoring terminals fixed at the remote areas and the computer at monitoring center. The terminals negotiate with the remote Gateway GPRS Support Node (GGSN) using PPP protocol,and establish GPRS low-layer data communication. On this basis TCP/IP stack is used to encapsulate and parse the data stream to enable the seamless integration with Internet. In this way the monitoring center can establish a robust and reliable two-way commutation with every terminal. When the network condition is bad, the system also supports SMS between terminal and communication center. The whole system has implemented functions such as remote data acquisition, real-time monitoring, stealing-electricity prevention, report printing.Key words: GSM；GPRS；wireless communication；remote meter0 引言伴随着国民经济的发展，企业用电量也在飞速增长，窃电等非法用电事故也越来越多，电力管理企业的工作量和工作难度不断加大，因此许多电力管理企业采用了基于公用电话交换网的电力管理监控系统。然而利用公用电话交换网络作用通讯媒介存在着线路敷设代价高、周期长等问题，已经不能满足电力管理企业迅速安装、更换设备位置、拆除的要求，而采用无线网络通讯技术可以解决这一问题。本文介绍了一种基于 GSM/GPRS 技术的用电监控系统。该系统针对电力系统用户，可进行远程自动抄表、实时曲线绘制和报表打印；对计量箱（柜）、配电室门的开关状态及电力设备的运行状态进行检测，把停电和窃电等事件通过GPRS/GSM 终端以GPRS 网络数据报文的形式传到管理监控中心的计算机上，并能够以短信的方式将报警信息发送到管理人员的手机和接收中心的通信终端上，以便尽快通知相关人员赶往现场，从而达到排除故障和防窃电的目的。1 GPRS 简介GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，通过多个GSM时隙的复用，支持的数据传输速率更高，理论峰值达115kb/s；不同的网络用户共享同一组GPRS 信道，但只有当某一个用户需要发送或接收数据时才会占用信道资源。GPRS 能够随时为用户提供透明的IP 通道，可直接访Internet 中的所有站点和资源；采用信道复用技术，每一个GPRS 用户都能够实现永远在线；另外，GPRS 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等，而且相对于短消息等其它无线数据通信业务，GPRS 的价格优势比较明显。目前，我国移动推出的 GPRS 上网业务最高每千字节也只有3 分钱，而且用户可以根据自己的需要，以月租、包月等多种形式进一步降低GPRS 通信的费用。因此，使用GPRS 实现远程数据的传送是非常经济实用的，特别是对于不易架设有线网络的边远地区。2 系统总体结构用电远程监控系统由两大部分组成（如图1 所示）：内嵌GSM/GPRS 无线通讯模块的远程监控终端和主站监控中心。前者安装在现场的被监控开关柜内，后者通常安装于电业局监控中心。本系统针对不同的用户需要，分为两种工作模式：GSM 工作模式、GPRS 工作模式。前者通过移动运营商提供的短信息服务作为现场终端和主站监控中心的通讯方式，后者则是通过中国移动的GPRS 提供的无线通信服务网络进行实时通讯。在 GSM 模式中，监控系统是由主站监控中心以及接收单元组成(接收单元:当终端采用GSM 消息模式上发数据时，接收各个终端通过短消息的形式发送来的数据，并将数据上传给监控中心计算机)，而GPRS 则不需要接收单元。在 GPRS 工作模式下，监控中心计算机必须有固定的公众网IP 地址，终端经由GPRS无线网络将数据报告到监控中心。通信时，终端事先已经知道监控中心的IP 地址，因此终端能够向监控中心主动发起TCP 连接，并报告TCP 报文数据，而监控中心并不知道终端的IP 地址，因此当终端第一次报告数据时，监控中心应该记录终端的动态IP 地址，之后监控中心才能主动发起通信，对终端进行召唤数据或者设置参数操作。用户可以按照自己的需要在主站监控中心选择相应的工作模式。3 远程监控终端3.1 终端硬件平台结构及相关模块说明3.1.1 终端硬件平台结构该系统针对远程终端相关的遥测数据和遥信数据实时监控的要求，构成了一个无线网络的实时监控系统。总体结构图如2 所示。3.1.2 终端电路相关模块说明（1）CPU 选择终端均选用美国 TI 公司推出的超低功耗16 位单片机MSP430F149。MSP430 是16 位RISC CPU，低电源电压，超低功耗，5 种节电模式，内部温度传感器，具有3 个捕获/比较寄存器的16 位定时器，两通道串行通信接口可用于异步或同步（软件选择UART/SPI 模式），硬件乘法器，60KB FLASH ROM 和2 KB RAM，串行可在线编程。因此，该系列单片机以低功耗和高性能受到越来越多开发人员的青睐，可以满足终端在掉电的异常情况下仍可维持足够长的运行时间。（2）检测部分检测部分包括缺相检测、失压检测和温度检测。前两者用模拟电路实现，后者选择DS18B20 进行温度读取，当温度到达一定值时，发生报警信息。（3）液晶显示液晶显示选取的是 ST7920，中文字型点矩阵LCD 控制/驱动器，支持双向的并行与单相的串行。液晶显示主要用于终端参数设置和终端状态显示，方便用户安装使用和进行检查故障。（4）日历时钟时钟芯片选取 PCF8503，读取终端数据发生的时间，包括终端实时数据时间和报警发生时间。（5）移动通讯模块常用的实现方式有：利用现有的通信网络（GSM/GPRS，CDMA 移动网等）和相应的无线通信产品；通过无线收发设备，比如无线MODEM，无线网桥等直接建立专门的无线局域网。为使监控中心与智能终端的无线通信能利用现有的网络，对于特定的无线网需用相应的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。本系统采用了西门子公司无线通讯模快MC35i。MC35i 集成了标准的RS232 接口以及SIM 卡，可以在PC 机上用AT 命令通过串口对它进行控制，支持数据、语音、短消息和传真等功能，可以工作于900MHz 网络也可工作于1800MHz 网络。3.2 终端工作过程安装在现场的远程监控终端，一方面与多功能电能表计通过 RS485 上的各种规约或者脉冲通信，另一方面通过GPRS 与主站建立通信。终端会在指定间隔向主站报告当前数据，主站可以随时召唤终端数据。当报警事件发生时，终端不仅会立即通知主站，而且还会通过短消息，将报警信息（包括报警发生信息和报警解除信息）发送到相关人员的手机上。当终端与主站暂时无法连通时，终端自动保存当前数据，待通讯恢复后，再将通讯中断期间的数据上报给主站。3.3 终端硬件开发工具及实现3.3.1 开发工具由于MSP430可以用C语言来完成程序设计，我们选择针对MSP430的C编译器：IAR编译器，可以大大提高开发调试工作的效率；同时所产生的文档资料也容易理解，便于移植，开发调试的集成环境和人机界面良好。3.3.2 实现过程系统首先进行工作频率等参数设置，然后进行拨号和PPP协商，得到系统本地IP，完成GPRS的Internet接入。再将用户数据用TCP协议封装，uIP0.9协议栈将其打成IP包，封装成PPP协议帧，再经串口发送给MC35i，MC35i把其封装成GPRS分组数据包通过GPRS信道传到GPRS网，GPRS网络通过GGSN将数据转到Internet，这样就与主站建立了连接。4 主站在 GPRS 工作模式下，主站只包括监控中心，在GSM 工作模式下，主站由监控中心和接收单元组成。4.1 监控中心4.1.1 软件开发工具本次项目软件在上位机的开发中涉及数据库技术和集成开发技术，经过综合分析，最终确定以Microsoft Visual C+6.0作为集成开发平台，SQL Server2000开发数据库。4.1.2 软件架构监控中心软件架构，如图3所示监控中心软件分为人机界面、数据处理、通讯接口三个模块，最大可能的减小模块之间耦合度，保证程序健壮可靠。（1）人机界面 提供全部功能的图形化操作方式，接受用户操作指令、提供数据展现平台。（2）数据处理 保存和处理数据，对系统的所有数据，包括系统体系参数和系统的当前数据，提供唯一的通道和接口。（3）通讯接口 接收来自终端的数据（GSM 模式下为串口，数据由接收单元中转；GPRS模式下为网络，数据通过网络传送），对数据进行报文解析，提交给数据处理模块或者人机界面，接收人机界面或者数据处理模块的通信请求，组织命令报文发送给终端。4.1.3 软件功能用户能够在监控中心软件上方便的设置各个终端的参数：终端设备编号、安装位置、终端手机号码、通讯模式、多功能电能表计类型，还可以设置数据上传的时间间隔等。此外不仅能够及时反应出终端当前的数据（多功能电能表计所能读到的数据），还能够查询历史数据、报警记录、打印报表和实时、历史曲线绘制。4.2 接收单元在 GSM 工作模式下，终端与监控中心之间的通信需经接收单元中转。接收单元的硬件结构和远程终端相同。数据上行时，接收单元接收来自终端的短消息，并通过 RS232 串行通信，将数据转发给监控中心。数据下行时，监控中心通过串口将数据发给接收单元，接收单元再通过短信将其发送给终端。5 结语本系统采用先进的 GSM/GPRS 公用无线通信网络技术，实现自动抄表、报警、报表打印等功能，同时对各种进出线与计量箱和配电室的开门、停电和窃电等事件通过GPRS/GSM终端以短信或者GPRS 网络数据报文的形式传到管理中心的计算机上，并能够以短信通知监控人员的手机，以便尽快通知相关人员尽快赶往现场而达到排除故障和防窃电。参考文献:1 魏小龙编著. MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例M.北京航空航天大学出版，20022 张晞 王德银 张晨. MSP430系列单片机实用C语言程序设计M.人民邮电出版社,20053 曹磊编著.MSP430单片机C程序设计与实践M.北京航天航空大学出版社，20074 沈建华,杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践.M.北京航天航空大学出版社，20085 沈建