基于soc的架空輸電線路狀態監測數據采集通信系統

在這項工作中，我們設計了一種使用c8051f050cmr的微控制裝置（c8051f040）來控制eprs模塊（模式樓閣樓閣閣閣閣閣閣閣），并通過eprs網絡連接到internet。終端采集的傳輸線路的列控系統和氣象數據被路由平臺傳輸，并完成與監控站的控制通信。利用SMS(ShortMessageService)作為通信輔助方式,保障了數據通信的實時可靠性。1多點實時監測系統的整體結構如圖1所示,采集終端安裝在架空線耐張塔上。在設定的采集間隔內,由MCU控制完成張力和氣象數據的采集,并控制GPRS模塊通過GPRS網絡接入Internet,完成和主站的數據通信。數據通信啟動時,數據經GPRS模塊無線發送到GSM基站BSS,GPRS數據分組從基站發送到服務支持節點SGSN,SGSN與網關支持節點GGSN進行通信,GGSN對分組的數據進行相應的處理,然后發送到連接在Internet的監控主站。主站通過Internet發送的數據分組先到達鎖定地址的GGSN,然后GGSN將其轉送給移動臺所附屬的SGSN,進而到達GPRS模塊。多個采集終端可以通過GPRS網絡與監控主站的指定端口建立多個TCP/IP連接,從而達到多點實時監測的目的。整個系統還設計了SMS通信模式,以保證通信的實時暢通。2設備硬件設計2.1風速風向傳感器及顯示整個終端的硬件設計框圖如圖2所示。張力傳感器用于測量架空線的張力,采用電橋輸出,考慮到實際的輸電線路附近電磁干擾嚴重,在緊靠張力傳感器的輸出側加上前置放大電路。溫度傳感器采用AnalogDevices的TMP36,輸出為電壓信號,用于測量環境溫度,日照導線的輻射溫度。該芯片具有測溫準確度高,線性度好,低功耗的特點。風速風向傳感器用于測量架空線上的風速風向,將風向轉換成電壓信號,風速轉換成不同頻率的單極性PWM波。所有傳感器輸出信號線采用雙層屏蔽線,同時采用濾波、隔離等措施,以最大程度地減小干擾。MCU選用Silabs的C8051F040是完全集成的混合信號系統級芯片,具有高速的CIP-51內核,具有豐富的模擬和數字資源。電源管理系統由太陽能光伏陣列、鋰離子電池和相關的控制單元構成,能滿足常年系統供電的需要。為滿足存儲數據的需要,系統擴展了4Mbit的SPI接口Flash。采集時間間隔到達后,MCU控制開啟前端傳感器電源。張力、環境溫度、日照輻射溫度、風向信號依次由調理電路中模擬開關選通,通過MCU片內集成的12位A/D轉換器得到相應的數據。風速信號則通過MCU的外部信號輸入口Tn,在1s內計數測得對應數值。2.2網絡控制模塊采集終端的GPRS模塊選用Motorola的G24。G24是一款高速GSM/GPRS/EDGE模塊,內置TCP/IP協議棧,工作溫度范圍可以達到-20~60℃,工作電壓3.3~4.2V。G24內部主要由基帶處理模塊和GSM射頻模塊。基帶處理模塊由MCU、DSP、電源管理模塊、存儲模塊(Flash和SRAM)和應用接口組成。GSM射頻模塊由RF接發器、RF功率放大器和RF前端天線組成。G24部分主要連接電路如圖3所示。G24工作需要外接SIM卡,控制G24通信是通過對其UART口發送AT命令來實現。ON_N控制G24的開關,RI_N信號指示G24收到語音呼叫,而WKUPI_N控制G24進入或退出休眠模式。G24休眠過程中網絡連接并不斷開,仍然監聽網絡。在數據通信的間隔休眠G24對于節省系統能耗十分重要。MCU將采集得到的數據打包后,控制喚醒G24,并利用G24建立好GPRS網絡連接進行數據傳輸。同時,監控主站可以通過Internet對終端進行控制腳本修改,實時對時等操作。3通信模式中的無線數據集3.1網絡傳輸模塊對G24的控制是MCU通過UART口發送AT命令完成的。AT命令是ASCⅡ碼表示的字符串組合,具有以下形式:命令開始符(“AT”前綴)、命令內容和參數、命令結束符(<CR>)。兩條AT命令之間應有一定的間隔時間,對于某些耗時的AT命令,需要有足夠的延時以保證收到G24的返回信息。在通過GPRS網絡與主站建立TCP/IP連接后,G24可以通過兩種模式進行數據的傳輸:AT命令模式和OnlineData模式。在AT命令模式下,G24對每次數據的傳輸都返回MCU相應的命令返回信息,同時傳輸的數據必須以ASCⅡ編碼。而在OnlineData模式下,允許用戶直接將原始數據通過基于TCP或UDP協議建立的Socket在G24與網絡間傳輸。G24對MCU發送過來的數據不做任何回應,而是直接發送到指定的網絡位置。本系統采用OnlineData模式進行數據傳輸。通信開始時,MCU通過發送AT確認與G24通信正常。隨后MCU發送+CREG=1使G24注冊到移動網絡,+CGATT?指令查詢G24是否附著上GPRS網絡,然后激活PDP上下文。GPRS網絡根據申請中APN信息進行處理,服務器進行用戶身份認證等過程后,G24獲得合法的IP地址。在一般情況下,G24上電后會自動附著在GPRS網絡上。利用+MIPCALL=1,“CM-NET”命令使G24與GGSN建立PPP連接,并為G24分配一個動態的IP地址。而+MIPODM=1,1024,“202.**.**.10”,0命令基于TCP協議建立一個與網絡遠端的Socket連接并自動進入OnlineData模式。此后,采集終端可以和Internet上的監控主站進行實時的數據通信。在數據通信結束后,終端MCU向G24發送“+++”使G24退出OnlineData模式進入AT命令模式。此時,終端MCU利用+MIPCLOSE=1關閉Socket,在下次數據通信啟動時再打開。考慮到某些情況下移動網絡信號能比較差,致使采集終端不能與監控主站建立TCP/IP連接,本系統另外設計了SMS模式。利用+CMGF=1設置信息格式為文本格式,再利用+CMGS=“136******”<CR>Text(文本內容)<ctrl-Z>的命令發送數據,此時數據內容以其ASCⅡ碼表示。3.2用戶數據安全終端MCU控制G24接入Internet的程序流程如圖4所示。考慮到在現場條件下,GPRS可能會出現連接不穩定、掉線等情況,程序中進行了相關的處理,以保證數據通信的實時性。在每條AT命令執行完后,都要根據G24的返回信息做相應的處理。在某次數據通信時,有3次創建Socket失敗,則利用SMS方式發送此次數據。每次數據通信前,需要查詢網絡連接失敗標志位以確定是否需要重新與GGSN建立PPP連接獲取動態IP。如果+MIPCALL命令返回操作不允許或者MCU接收到G24的+MIPSTAT報錯(表明G24協議棧已經損壞),則需要重啟G24。3.3請求數據幀獲取為了保證數據通信的正常順利進行,采集終端和監控主站之間采用請求-響應的通信協議,由主站發出命令請求,控制終端作出相應的回應。考慮到本系統數據通信的特點,制定了如下表的協議數據幀格式:通信過程中,主站根據需要發送以下幾類請求數據幀:請求終端ID號幀;請求終端數據信息幀;請求終端下載控制腳本幀;請求終端系統對時幀;請求本次通信結束幀。終端根據接收到的不同數據幀進行相應的處理。采集終端在傳輸時間間隔到達后,主動發起與監控主站的TCP/IP連接。主站實時監聽相應的端口連接情況,在監聽到采集終端有連