基于GSM模塊的電力變壓器防盜系統設計

　　在油田等地域分布遼闊的野外地區，輸電線(xiàn)路和電力變壓器因遠離供電局經(jīng)常面臨被盜的危險，一旦輸電線(xiàn)和電力變壓器被盜，將會(huì )造成很大的經(jīng)濟損失，給電力系統的穩定運行和油田安全生產(chǎn)造成極大的隱患。隨著(zhù)gsm移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的迅速發(fā)展和用戶(hù)的日益擴大，gsm的信號覆蓋范圍很廣，盲區越來(lái)越少，現在gsm機站建設迅速，設計上已經(jīng)覆蓋了整個(gè)地區。為此，本文利用gsm通訊網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)出的輸電線(xiàn)路和變壓器防盜系統，能有效地對偏遠地區的輸電線(xiàn)路和電力變壓器的運行情況實(shí)時(shí)監控。

　　2 系統設計

　　本文主要描述了利用stc89c52單片機實(shí)現的基于gsm模塊的電力變壓器防盜系統，包括stc89c52單片機的功能特點(diǎn)、gsm短信模塊工作原理、傳感器工作原理。文中使用的gsm（全球移動(dòng)通信系統）模塊為siemens公司推出的新一代無(wú)線(xiàn)通信gsm模塊——tc35，利用該模塊可以完成短消息收發(fā)、語(yǔ)音傳輸、與pc機進(jìn)行數據傳輸等功能。系統由單片機和gsm模塊以uart（通用異步收發(fā)器）形式通信完成數據的采集和發(fā)送，并通過(guò)gsm模塊將采集到的信息通過(guò)gsm網(wǎng)絡(luò )傳送給用戶(hù)終端；信號的檢測采用二種傳感器進(jìn)行信號的采集，以確保電力變壓器的安全性；同時(shí)為防止電網(wǎng)斷電等因素所造成的影響，即在電網(wǎng)掉電后自動(dòng)啟動(dòng)后備電池繼續保證系統的正常工作，極大地提高了系統的穩定性與可靠性；在人機交互中，采用遙控布防和撤防的方式便于控制報警系統監控狀態(tài)，另外，通過(guò)電腦終端可以對系統的工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)掌握。系統的組成框圖如圖1所示。

　　圖1系統基本原理框圖

　　3 gsm模塊tc35應用設計

　　tc35是siemens公司推出的新一代無(wú)線(xiàn)通信gsm模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現系統方案中的數據、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)（short message service）和傳真。模塊的工作電壓為3.3-5.5v，可以工作在900mhz和1800mhz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2w（900m）和1w（1800m）。模塊有at命令集接口，支持文本和pdu模式的短消息、第三組的二類(lèi)傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話(huà)簿功能、多方通話(huà)，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、idle、talk等模式。通過(guò)獨特的40引腳的zif連接器，實(shí)現電源連接、指令、數據、語(yǔ)音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過(guò)zif連接器及50ω天線(xiàn)連接器，可分別連接sim卡支架和天線(xiàn)。

　　tc35模塊主要由gsm基帶處理器、gsm射頻模塊、供電模塊（asic）、閃存、zif連接器、天線(xiàn)接口六部分組成。作為tc35的核心，基帶處理器主要處理gsm終端內的語(yǔ)音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持fr、hr和efr語(yǔ)音信道編碼。

　　3.1 tc35硬件設計

　?。?） tc35 的硬件接口。tc35模塊有40個(gè)引腳，通過(guò)一個(gè)zif（zero insertion force，零阻力插座）連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類(lèi)，即電源、數據輸入/輸出、sim卡、音頻接口和控制。其中igt是啟動(dòng)端，系統加電后為使tc35進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給igt加一個(gè)大于100ms的低脈沖，電平下降持續時(shí)間不可超過(guò)1ms。單片機通過(guò)tc35的18、19腳交換數據。tc35的外圍電路圖如圖2所示。

　　圖2 tc35外圍電路圖

　?。?） tc35的開(kāi)發(fā)技巧。在開(kāi)發(fā)tc35的過(guò)程中，正確構建其外圍電路是十分重要的。電源要求：模塊的供電電壓如果低于3.3v會(huì )自動(dòng)關(guān)機。同時(shí)模塊在在發(fā)射時(shí)，電流峰值可高達2a。同時(shí)在此電流峰值時(shí)，電源電壓（送入模塊的電壓）下降值不能超過(guò)0.4v。所以該模塊對電源的要求較高，電源的內阻+ffc聯(lián)接線(xiàn)的電阻必需小于200mω；mcu與tc35通信：?jiǎn)纹瑱C通過(guò)兩個(gè)i/o口控制tc35的開(kāi)關(guān)機、復位等，通過(guò)串口與tc35進(jìn)行數據通信，通信速率為9600kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數據位，1位停止位；邏輯電平的區別：tc35模塊輸入輸出的ttl正電平邏輯不是+5v，而是+2.9v，因此必要時(shí)加端口保護；tc35上電后需要在igt引腳施加100ms左右的低脈沖才能啟動(dòng)。

　?。?） 如何解決模塊無(wú)法登陸網(wǎng)絡(luò )的問(wèn)題。因為在tc35的整個(gè)外圍電路中存在數字地和模擬地，考慮將上述電感換成磁珠，原因是電感無(wú)法吸收數字地和模擬地之間的高頻諧波分量，而磁珠則可以很有效地吸收高頻分量，很好的起到了隔離數字地和模擬地。另外，將+5v電源與tc35模塊的vbatt+之間的濾波二極管換下，改為直流穩壓電源（5v，2a）直接供電，解決二極管的最大導通電流達不到模塊要求的瞬間的大電流（2a）的問(wèn)題。

　?。?） 關(guān)于sim卡的管腳信號。sim卡有三種電氣規范的，1.8v/3.0v/5.0v?，F在我們手機上用的sim卡一般都是3.0v的。sim卡上供電受電源vcc的影響比較大，并且其紋波不能很大。在rst信號正確的前提下，正常工作時(shí)，rst信號為高電平。這時(shí)測試cl-ock和data信號的波形會(huì )發(fā)現：這兩個(gè)信號在tc35對sim卡操作時(shí)才有波形，如沒(méi)有操作則一般都不會(huì )有波形，這都是屬于正常情況。sim卡的信號線(xiàn)、電源線(xiàn)都需要去耦。

　　3.2 tc35 軟件指令

　?。?） 基本at指令：讀取短信支持格式0，pdu（中英文都可）；1，text（只能用于英文）。指令：at+cmgf？返回：+cmgf： 0注意：tc35默認的是text模式，因此要發(fā)中文短信必須在每次開(kāi)機時(shí)更改短信支持格式。輸入：at+cmgf=0返回：ok。

　?。?） 中英文短信的發(fā)送。英文短信的分析：at+回車(chē)：通訊握手指令，返回：ok。指令：at+cmgf=1。設置為pdu模式，為發(fā)送中文漢字準備（若開(kāi)機時(shí)默認為1），返回：ok，at+cscs=“ gsm ”（若開(kāi)機時(shí)默認為gsm），設置tc35的工作模式。短信息的發(fā)送分成兩步：a、發(fā)送接收的手機號碼，等待應答：“》“，指令：at+cmgs=”13587654321“回車(chē)（目的地址），tc35回應：at+cmgs=”1-3587654321“ 》。b、輸入短信息的內容（只能是英文）：test 回車(chē)。

　　中文短信發(fā)送的基本原理分析：使用串口調試助手成功發(fā)送的中文短信息完整過(guò)程，短信中心號碼：13800513500；短信接收方號碼：13587654321；短信內容：“華科大文華學(xué)院”。

　　指令：at+回車(chē)：通訊握手，返回：ok，指令：at+cmgf=0 設置為pdu模式，因為要發(fā)送中文漢字，返回：ok，at+cmgs=6 （此數是十進(jìn)制），發(fā)送短消息的字節數（即phone+msg的字節數）》?？梢越邮諗祿?89168310 -8200705f011000b813185674523 - f10008c20c534e79d159276587534e5b66962。指令：+cmgs： 45 返回：ok （注釋?zhuān)?8表示短消息中心地址長(cháng)度；91表示短消息中心號碼類(lèi)型；683108200705f0表示短消息中心號碼13800270500；1100表示發(fā)送短消息的編碼方式；0d表示目的地址長(cháng)度；91表示目的地址類(lèi)型；3185674523f1——表示目的地址，即接收短消息的手機號碼為13587654321；3208表示發(fā)送中文字符方式；c2表示有效期（tp-vp） 5 分鐘a7（24小時(shí)）；0c表示短消息長(cháng)度；534e79d159276587534e5b6 -69662——表示發(fā)送中文字符的unicode碼。

　　4 軟件設計

　　4.1 主程序流程圖

　　軟件設計采用c語(yǔ)言編寫(xiě)、模塊化程序設計。stc89c52單片機對tc35模塊進(jìn)行通信，首先設置波特率，通常為9600bit/s，然后再根據實(shí)際需要對中斷端口進(jìn)行相應的初始化設置。根據被監控對象的實(shí)際情況，主流程圖如圖3所示。

　　圖3 系統軟件主流程圖

　　4.2部分程序源代碼

　　以下是基于stc89c52單片機與tc35通訊接口的部分通信程序，該程序已經(jīng)通過(guò)調試并在開(kāi)發(fā)裝置上正常運行。

　　//打電話(huà)ring

　　void phonecall（void）

　　{

　　unchar code ringoff_tc35［］=”at+chup“;

　　for（i=0;i《=0;i++）

　　{

　　sendtotc35（ring_tc35，sizeof（ring_tc35）-1）; //向tc35發(fā)送打電話(huà)的at指令

　　sendasc（over）; //回車(chē)

　　delay1s（25）; // 延時(shí)9秒

　　sendtotc35（ringoff_tc35，sizeof（ringoff_tc35）-1）; //關(guān)機

　　sendasc（over）;

　　delay1s（2）;

　　}

　　}

　　本程序源代碼實(shí)現打電話(huà)功能，其中考慮將at指令轉化成ascii碼的形式對tc35進(jìn)行控制。

　　5 系統穩定性分析

　　本文研究對象為防盜系統，要求系統穩定，為此進(jìn)行如下處理：在系統初始化中，間斷重復啟動(dòng)三次，以保證能夠正常登錄網(wǎng)絡(luò )，最后以短信形式加以確認。主要用單片機對tc35進(jìn)行控制，單片機的穩定性不可忽視。因外部看門(mén)狗的穩定性比內部看門(mén)狗的穩定性高，于是采用外部看門(mén)狗定時(shí)清零，以適應惡劣的工作環(huán)境。電源的可靠性也至關(guān)重要，為此采用雙電源模式。在外部無(wú)電源情況下采用內部蓄電池供電，根據用戶(hù)需要可以采用不同容量的蓄電池以保證其供電時(shí)間；在有外接電源情況下，外部供電為主，在此時(shí)蓄電池供電不足，便自動(dòng)開(kāi)始充電。為了使用戶(hù)了解系統的工作狀態(tài)，根據客戶(hù)需要以短信形式進(jìn)行定時(shí)發(fā)送安全回復報告。

　　6 結束語(yǔ)

　　設計結合gsm網(wǎng)絡(luò )，綜合利用西門(mén)子公司的tc35模塊對電力變壓器實(shí)現了現代的防盜報警系統。整個(gè)設計充分考慮了系統中可能出現的各種意外情況，根據具體情況設計了相應的功能。本設計借助目前最可靠、最成熟的gsm移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，在軟件設計上也進(jìn)行了相應的人性化設計，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。