基于GSM短消息的电能量采集系统-新品速递

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武汉华中科技大学控制科学与工程系(430074)程媛魏丰

在电力用户的用电量中，工业大用户的用电量占整个用电量(包括居民用户)的60％～80％。为准确、可靠地对工业大用户用电进行计量，对电网的输变电元件进行监测，本文根据实际情况开发了基于移动通信系统GSM(ClobalSystemforMobileCommunication)短消息的电能量采集系统。本系统与电力系统的管理机制相匹配，可大幅度减少管理成本，实现了抄表数据和电网运行状态及时准确的采集、传输和处理。本文对系统的组成以及抄表采集器的通信原理和功能实现进行详细的介绍。

1GSM及其移动短消息业务

GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善，且应用广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网是我国公众移动通信网的主要方式。

GSM短消息是移动通信部门利用GSM网络在提供电路交换的各种电信业务和承载业务之外提供的基于数据分组交换的一项增值业务。SMS以数字蜂窝终端发送和接收字母数字消息的功能为基础，使用SS7信令信道来传输数据分组，在无业务信道呼叫时使用独立专用控制信道(SDCCH)，有业务信道呼叫时使用慢伴随控制信道(SACCH)。因此允许用户在做一个话音或数据呼叫的同时接收一个文本消息。同时，SMS是目前GSM网内惟一采用分组方式的数据业务，一个活跃移动台能够在任何时候发送和接收一个短消息的传输协议数据单元(TPDU)，不管当时业务信道上是否有正在进行的话音和数据呼叫。值得一提的是GSM短消息的传递是有保证的，即使一个目的蜂窝终端不可达(比如关机或不在服务区内)，网络也会保留发给它的消息并当该蜂窝终端重新出现在网络中时传递。短消息可以传送的消息长度为140字节或160个字母数字。

2GSM短消息的电能量采集系统

基于GSM短消息的电能量采集系统由电业局局端抄表计算机、GSM采集器、智能电能表三部分组成。分为二层结构：上层(局端抄表计算机与采集器之间)数据通信采用星型网络，局端抄表计算机、GSM采集器的微处理器都装有GSM模块，通过GSM网络收发短消息，完成局端抄表计算机和GSM采集器的通信；底层(采集器与智能电能表之间)数据通信采用总线结构，采集器通过RS485总线按照国家颁布的《多功能电能表通信规约》所规定的抄表协议与智能电能表以总线方式进行通信，实现抄表数据的传输。系统结构框图如图1所示。

本系统无线通信工具采用西门子公司的TC35iGSM模块。TC35i模块是一个达到工业级标准的完整GSMModem：拥有EGSM900／GSMl800双频段功能，支持数字、语音、短消息以及传真业务，有较宽的电压输入范围，提供LED网络信号指示以及简便的串行接口，小巧的外形易于集成。抄表系统通过移动终端的电话号码为采集器分配惟一地址，将抄表命令和数据打包成PDU数据包，通过TC35i收发短消息进行通信，建立无线抄表通信网络，为抄表采集器和抄表计算机提供一个网络化通信接口，从根本上解决了因变电站分布广、距离远而难以组网的难题，实现了数据的远程双向传输。

3GSM采集器43．1GSM采集器的主要功能

(1)抄表功能：根据收到的抄表命令抄取三相多功能电能表的数据，并在每天凌晨抄取日末累计电量。

(2)执行用电监察功能：对失压、断相、逆相序以及用电异常等事件进行实时监察。

(3)短消息数据处理：解析收到的局端抄表计算机的抄表消息，并将抄表所得的数据进行标准GSM7位编码，使之成为可以发送的PDU短消息数据包。

(4)通过TC35i和局端抄表计算机通信，接收抄表、对时信息；向局端抄表计算机发送抄表数据和报警信息。

3．2GSM采集器的构成

GSM采集器的部分是它的主控制板，结构如图2所示。

主控制板由89C51作为主控芯片，通过单片机自身的串口和485总线相连，完成抄收电能表数据的任务；外接128KB的Flash闪存(29C010)存储抄表数据；通过16C550作为串口扩展电路和TC35i通信实现短消息的收发；时钟电路为系统提供实时时钟；而显示电路用来显示采集器当前的状态；同时，系统通过对89C51进行软件编程实现智能控制。

4TC35i和单片机的通信

4．1通信初始化

TC35i有标准的RS-232接口，通信接口为标准异步RS-232全双工方式，通信字格式采用TC35i支持的10位编码格式：1位停止位，8位数据位，无校验，波特率为9600bps；帧格式采用标准的AT命令结构：帧头(固定为AT)+指令(参考AT指令集)+结束标志(固定为CRLP)。在串口通信过程中，每发出一条AT命令后都必须等待Modem的响应，若在Modem响应之前发出下一条AT命令，则后一条命令不会被执行。所以，单片机必须在发下一条AT命令前检测上一条命令的执行结果，或者等待足够长的时间(试验证明1秒的等待是必须的)后再发新的AT命令。

TC35i同时支持文本(TextMode)和PDU(ProtocolDescriptionUnit)二种方式发送和接收SMS短信息。在此，选择其中的PDU模式，它可以使用任何编码方式，适合抄表数据的传输。TC35i中设定短消息模式的AT命令为AT+CMGF=0CRLF(当设定AT+CMGF=1CRLP时，TC35i将按照文本模式识别短消息)。

4．2短消息的接收和存储

由于短消息在传输过程中有时延，所以短消息的到达时间是不确定的。因此必须设定短消息到达提示命令，并定时检测，这样可以通过在TC35i上电时对其进行初始化实现。设定短消息到达自动提示的AT命令为AT+CNMI=3，1，0，2CRLP。当短消息到达时会收到+CMTI：SM，n的提示消息，其中+CMTI：为提示信息的帧头，SM'，表示短消息的存储区域为SIM卡存储区，n为新到的短消息在指定存储区的存储序号，可以根据序号到给定的存储区将短消息读出来。

为了在有限的空间存储更多的有效信息，TC35i为短消息提供了3个存储区域，每个区域都可以存储20条短消息，并可以指定短消息存储地址的优先级。将接收到的短消息存储到SIM卡可节省Modem内部寻址时间，这是快的存储方式。所以在保证收到的短消息及时处理的条件下，将接收到的短消息优先存储到SIM卡中，提高丁采集器读短消息的速度。

4．3短消息有效数据的获取

获得新到短消息的内容是通过读新消息完成的。对于不同的存储区域应该采取不同的读命令，读存储在SIM卡中的短消息的AT命令为：AT+CMGL=0CRLF。当SIM卡中没有新的短消息时，Modem只返回OKCRLF；SIM卡中有新的短消息时，Modem在短消息设定为PDU模式时按以下格式返回新短消息：

第1条未读的短消息(识别短消息头字节+短消息体)……第N条未读的短消息(识别短消息头字节+短消息体)

OKCRLF

其中短消息头字节采用的格式为：+CMGL：n，0，，lenCRLF，n表示本条短消息在SIM卡短消息存储区中的存储序号，0表示本条短消息目前处于首次被读的状态，len表示短消息长度；短消息体为具体的短消息内容，是所需的有效数据。

4．4短消息的删除

TC35i中采用填空的方式存储新收到的短消息，它总是将收到的短消息放在的存储序号位置，当所有的存储区被填满时，将不再接收新的短消息，所以经过处理的短消息要及时删除。删除短消息的AT命令为：AT+CMGD=nCRLF，其中n表示将要删除的短消息的序号。

值得注意的是：AT命令以及它的响应字符都是ASCII码，而PDU数据包都采用国际通用的标准GSM7位编码，进行数据处理时必须进行相应的编码和解码。

5结束语

本文开发的基于GSM短消息的电能量采集系统已在湖南益阳电业局进行了试运行。实践证明，本系统完全可以满足数据传输在数据量、通信质量、实时性等方面的要求，实现了全局数据共享，适应了大电力客户的电能量采集以及电网监控的需要。同时，对于电力大客户这种数据传输量较小的应用具有良好的经济效益。