在電力用戶的用電量中，工業(yè)大用戶的用電量占整個(gè)用電量(包括居民用戶)的60％～80％。為準(zhǔn)確、可靠地對工業(yè)大用戶用電進(jìn)行計(jì)量，對電網(wǎng)的輸變電元件進(jìn)行監(jiān)測，本文根據(jù)實(shí)際情況開發(fā)了基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM(Clobal System for Mobile Communication)短消息的電能量采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的管理機(jī)制相匹配，可大幅度減少管理成本，實(shí)現(xiàn)了抄表數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)準(zhǔn)確的采集、傳輸和處理。本文對系統(tǒng)的組成以及抄表采集器的通信原理和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
1 GSM及其移動(dòng)短消息業(yè)務(wù)
GSM系統(tǒng)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信中比較成熟、完善，且應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)是我國公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。
GSM短消息是移動(dòng)通信部門利用GSM網(wǎng)絡(luò)在提供電路交換的各種電信業(yè)務(wù)和承載業(yè)務(wù)之外提供的基于數(shù)據(jù)分組交換的一項(xiàng)增值業(yè)務(wù)。SMS以數(shù)字蜂窩終端發(fā)送和接收字母數(shù)字消息的功能為基礎(chǔ)，使用SS7信令信道來傳輸數(shù)據(jù)分組，在無業(yè)務(wù)信道呼叫時(shí)使用獨(dú)立專用控制信道(SDCCH)，有業(yè)務(wù)信道呼叫時(shí)使用慢伴隨控制信道(SACCH)。因此允許用戶在做一個(gè)話音或數(shù)據(jù)呼叫的同時(shí)接收一個(gè)文本消息。同時(shí)，SMS是目前GSM網(wǎng)內(nèi)惟一采用分組方式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，一個(gè)活躍移動(dòng)臺(tái)能夠在任何時(shí)候發(fā)送和接收一個(gè)短消息的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元(TPDU)，不管當(dāng)時(shí)業(yè)務(wù)信道上是否有正在進(jìn)行的話音和數(shù)據(jù)呼叫。值得一提的是GSM短消息的傳遞是有保證的，即使一個(gè)目的蜂窩終端不可達(dá)(比如關(guān)機(jī)或不在服務(wù)區(qū)內(nèi))，網(wǎng)絡(luò)也會(huì)保留發(fā)給它的消息并當(dāng)該蜂窩終端重新出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中時(shí)傳遞。短消息可以傳送的最大消息長度為140字節(jié)或160個(gè)字母數(shù)字。
2 GSM短消息的電能量采集系統(tǒng)
基于GSM短消息的電能量采集系統(tǒng)由電業(yè)局局端抄表計(jì)算機(jī)、GSM采集器、智能電能表三部分組成。分為二層結(jié)構(gòu)：上層(局端抄表計(jì)算機(jī)與采集器之間)數(shù)據(jù)通信采用星型網(wǎng)絡(luò)，局端抄表計(jì)算機(jī)、GSM采集器的微處理器都裝有GSM模塊，通過GSM網(wǎng)絡(luò)收發(fā)短消息，完成局端抄表計(jì)算機(jī)和GSM采集器的通信；底層(采集器與智能電能表之間)數(shù)據(jù)通信采用總線結(jié)構(gòu)，采集器通過RS485總線按照國家頒布的《多功能電能表通信規(guī)約》所規(guī)定的抄表協(xié)議與智能電能表以總線方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)抄表數(shù)據(jù)的傳輸。
本系統(tǒng)無線通信工具采用西門子公司的TC35i GSM模塊。TC35i模塊是一個(gè)達(dá)到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的完整GSM Modem：擁有EGSM900／GSMl800雙頻段功能，支持?jǐn)?shù)字、語音、短消息以及傳真業(yè)務(wù)，有較寬的電壓輸入范圍，提供LED網(wǎng)絡(luò)信號(hào)指示以及簡便的串行接口，小巧的外形易于集成。抄表系統(tǒng)通過移動(dòng)終端的電話號(hào)碼為采集器分配惟一地址，將抄表命令和數(shù)據(jù)打包成PDU數(shù)據(jù)包，通過TC35i收發(fā)短消息進(jìn)行通信，建立無線抄表通信網(wǎng)絡(luò)，為抄表采集器和抄表計(jì)算機(jī)提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化通信接口，從根本上解決了因變電站分布廣、距離遠(yuǎn)而難以組網(wǎng)的難題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程雙向傳輸。
3 GSM采集器
3．1 GSM采集器的主要功能
(1)抄表功能：根據(jù)收到的抄表命令抄取三相多功能電能表的數(shù)據(jù)，并在每天凌晨抄取日末累計(jì)電量。
(2)執(zhí)行用電監(jiān)察功能：對失壓、斷相、逆相序以及用電異常等事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)察。
(3)短消息數(shù)據(jù)處理：解析收到的局端抄表計(jì)算機(jī)的抄表消息，并將抄表所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)GSM7位編碼，使之成為可以發(fā)送的PDU短消息數(shù)據(jù)包。
(4)通過TC35i和局端抄表計(jì)算機(jī)通信，接收抄表、對時(shí)信息；向局端抄表計(jì)算機(jī)發(fā)送抄表數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。
3．2 GSM采集器的構(gòu)成
GSM采集器的核心部分是它的主控制板。
主控制板由89C51作為主控芯片，通過單片機(jī)自身的串口和485總線相連，完成抄收電能表數(shù)據(jù)的任務(wù)；外接128KB的Flash閃存(29C010)存儲(chǔ)抄表數(shù)據(jù)；通過16C550作為串口擴(kuò)展電路和TC35i通信實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)；時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘；而顯示電路用來顯示采集器當(dāng)前的狀態(tài)；同時(shí)，系統(tǒng)通過對89C51進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)智能控制。
4 TC35i和單片機(jī)的通信
4．1通信初始化
TC35i有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，通信接口為標(biāo)準(zhǔn)異步RS-232全雙工方式，通信字格式采用TC35i支持的10位編碼格式：1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)，波特率為9 600bps；幀格式采用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令結(jié)構(gòu)：幀頭(固定為AT)+指令(參考AT指令集)+結(jié)束標(biāo)志(固定為)。在串口通信過程中，每發(fā)出一條AT命令后都必須等待Modem的響應(yīng)，若在Modem響應(yīng)之前發(fā)出下一條AT命令，則后一條命令不會(huì)被執(zhí)行。所以，單片機(jī)必須在發(fā)下一條AT命令前檢測上一條命令的執(zhí)行結(jié)果，或者等待足夠長的時(shí)間(試驗(yàn)證明1秒的等待是必須的)后再發(fā)新的AT命令。
TC35i同時(shí)支持文本(Text Mode)和PDU(Protocol Description Unit)二種方式發(fā)送和接收SMS短信息。在此，選擇其中的PDU模式，它可以使用任何編碼方式，適合抄表數(shù)據(jù)的傳輸。TC35i中設(shè)定短消息模式的AT命令為AT+CMGF=0(當(dāng)設(shè)定AT+CMGF=1時(shí)，TC35i將按照文本模式識(shí)別短消息)。
4．2短消息的接收和存儲(chǔ)
由于短消息在傳輸過程中有時(shí)延，所以短消息的到達(dá)時(shí)間是不確定的。因此必須設(shè)定短消息到達(dá)提示命令，并定時(shí)檢測，這樣可以通過在TC35i上電時(shí)對其進(jìn)行初始化實(shí)現(xiàn)。設(shè)定短消息到達(dá)自動(dòng)提示的AT命令為AT+CNMI=3，1，0，2。當(dāng)短消息到達(dá)時(shí)會(huì)收到+CMTI："SM"，n的提示消息，其中+CMTI：為提示信息的幀頭，"SM'，表示短消息的存儲(chǔ)區(qū)域?yàn)镾IM卡存儲(chǔ)區(qū)，n為新到的短消息在指定存儲(chǔ)區(qū)的存儲(chǔ)序號(hào)，可以根據(jù)序號(hào)到給定的存儲(chǔ)區(qū)將短消息讀出來。
為了在有限的空間存儲(chǔ)更多的有效信息，TC35i為短消息提供了3個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可以存儲(chǔ)20條短消息，并可以指定短消息存儲(chǔ)地址的優(yōu)先級(jí)。將接收到的短消息存儲(chǔ)到SIM卡可節(jié)省Modem內(nèi)部尋址時(shí)間，這是最快的存儲(chǔ)方式。所以在保證收到的短消息及時(shí)處理的條件下，將接收到的短消息優(yōu)先存儲(chǔ)到SIM卡中，提高丁采集器讀短消息的速度。
4．3短消息有效數(shù)據(jù)的獲取
獲得新到短消息的內(nèi)容是通過讀新消息完成的。對于不同的存儲(chǔ)區(qū)域應(yīng)該采取不同的讀命令，讀存儲(chǔ)在SIM卡中的短消息的AT命令為：AT+CMGL=0。當(dāng)SIM卡中沒有新的短消息時(shí)，Modem只返回OK；SIM卡中有新的短消息時(shí)，Modem在短消息設(shè)定為PDU模式時(shí)按以下格式返回新短消息：
第1條未讀的短消息(識(shí)別短消息頭字節(jié)+短消息體)
……
第N條未讀的短消息(識(shí)別短消息頭字節(jié)+短消息體)
OK
其中短消息頭字節(jié)采用的格式為：+CMGL：n，0，，len，n表示本條短消息在SIM卡短消息存儲(chǔ)區(qū)中的存儲(chǔ)序號(hào)，0表示本條短消息目前處于首次被讀的狀態(tài)，len表示短消息長度；短消息體為具體的短消息內(nèi)容，是所需的有效數(shù)據(jù)。
4．4短消息的刪除
TC35i中采用填空的方式存儲(chǔ)新收到的短消息，它總是將收到的短消息放在最小的存儲(chǔ)序號(hào)位置，當(dāng)所有的存儲(chǔ)區(qū)被填滿時(shí)，將不再接收新的短消息，所以經(jīng)過處理的短消息要及時(shí)刪除。刪除短消息的AT命令為：AT+CMGD=n，其中n表示將要?jiǎng)h除的短消息的序號(hào)。
值得注意的是：AT命令以及它的響應(yīng)字符都是ASCII碼，而PDU數(shù)據(jù)包都采用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)GSM7位編碼，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)必須進(jìn)行相應(yīng)的編碼和解碼。
5結(jié)束語
本文開發(fā)的基于GSM短消息的電能量采集系統(tǒng)已在湖南益陽電業(yè)局進(jìn)行了試運(yùn)行。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)完全可以滿足數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)量、通信質(zhì)量、實(shí)時(shí)性等方面的要求，實(shí)現(xiàn)了全局?jǐn)?shù)據(jù)共享，適應(yīng)了大電力客戶的電能量采集以及電網(wǎng)監(jiān)控的需要。同時(shí)，對于電力大客戶這種數(shù)據(jù)傳輸量較小的應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。P> (3)短消息數(shù)據(jù)處理：解析收到的局端抄表計(jì)算機(jī)的抄表消息，并將抄表所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)GSM7位編碼，使之成為可以發(fā)送的PDU短消息數(shù)據(jù)包。
