基于GSM模块的电力变压器防盗系统

   1  引言              
　　在油田等地域分布辽阔的野外地区，输电线路和电力变压器因远离供电局经常面临被盗的危险，一旦输电线和电力变压器被盗，将会造成很大的经济损失，给电力系统的稳定运行和油田安全生产造成极大的隐患。随着gsm移动通信网络的迅速发展和用户的日益扩大，gsm的信号覆盖范围很广，盲区越来越少，现在gsm机站建设迅速，设计上已经覆盖了整个地区。为此，本文利用gsm通讯网络开发出的输电线路和变压器防盗系统，能有效地对偏远地区的输电线路和电力变压器的运行情况实时监控。

            
    2  系统设计            
　　本文主要描述了利用stc89c52单片机实现的基于gsm模块的电力变压器防盗系统，包括stc89c52单片机的功能特点、gsm短信模块工作原理、传感器工作原理。文中使用的gsm(全球移动通信系统)模块为siemens公司推出的新一代无线通信gsm模块——tc35，利用该模块可以完成短消息收发、语音传输、与pc机进行数据传输等功能。系统由单片机和gsm模块以uart(通用异步收发器)形式通信完成数据的采集和发送，并通过gsm模块将采集到的信息通过gsm网络传送给用户终端；信号的检测采用二种传感器进行信号的采集，以确保电力变压器的安全性；同时为防止电网断电等因素所造成的影响，即在电网掉电后自动启动后备电池继续保证系统的正常工作，极大地提高了系统的稳定性与可靠性；在人机交互中，采用遥控布防和撤防的方式便于控制报警系统监控状态，另外，通过电脑终端可以对系统的工作状态进行动态掌握。系统的组成框图如图1所示。

                                                  图1系统基本原理框图

            
    3  gsm模块tc35应用设计            
　  tc35是新一代无线通信gsm模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(short message service)和传真。模块的工作电压为3.3-5.5v，可以工作在900mhz和1800mhz两个频段，所在频段功耗分别为2w(900m)和1w(1800m)。模块有at命令集接口，支持文本和pdu模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、idle、talk等模式。通过独特的40引脚的zif连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过zif连接器及50ω天线连接器，可分别连接sim卡支架和天线。
            
　　tc35模块主要由gsm基带处理器、gsm射频模块、供电模块(asic)、闪存、zif连接器、天线接口六部分组成。作为tc35的核心，基带处理器主要处理gsm终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持fr、hr和efr语音信道编码。

3.1 tc35硬件设计
               
　　(1) tc35 的硬件接口。tc35模块有40个引脚，通过一个zif(zero insertion force，零阻力插座)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、sim卡、音频接口和控制。其中igt是启动端，系统加电后为使tc35进入工作状态,必须给igt加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。单片机通过tc35的18、19脚交换数据。tc35的外围电路图如图2所示。

                                                             图2  tc35外围电路图
               
　　(2) tc35的开发技巧。在开发tc35的过程中，正确构建其外围电路是十分重要的。电源要求：模块的供电电压如果低于3.3v会自动关机。同时模块在在发射时，电流峰值可高达2a。同时在此电流峰值时，电源电压(送入模块的电压)下降值不能超过0.4v。所以该模块对电源的要求较高，电源的内阻+ffc联接线的电阻必需小于200mω；mcu与tc35通信：单片机通过两个i/o口控制tc35的开关机、复位等，通过串口与tc35进行数据通信，通信速率为9600kbps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位；逻辑电平的区别：tc35模块输入输出的ttl正电平逻辑不是+5v，而是+2.9v，因此必要时加端口保护；tc35上电后需要在igt引脚施加100ms左右的低脉冲才能启动。
               
　　(3) 如何解决模块无法登陆网络的问题。因为在tc35的整个外围电路中存在数字地和模拟地，考虑将上述电感换成磁珠，原因是电感无法吸收数字地和模拟地之间的高频谐波分量，而磁珠则可以很有效地吸收高频分量，很好的起到了隔离数字地和模拟地。另外，将+5v电源与tc35模块的vbatt+之间的滤波二极管换下，改为直流稳压电源(5v，2a)直接供电，解决二极管的最大导通电流达不到模块要求的瞬间的大电流(2a)的问题。
               
　　(4) 关于sim卡的管脚信号。sim卡有三种电气规范的，1.8v/3.0v/5.0v。现在我们手机上用的sim卡一般都是3.0v的。sim卡上供电受电源vcc的影响比较大，并且其纹波不能很大。在rst信号正确的前提下，正常工作时，rst信号为高电平。这时测试cl-ock和data信号的波形会发现：这两个信号在tc35对sim卡操作时才有波形，如没有操作则一般都不会有波形，这都是属于正常情况。sim卡的信号线、电源线都需要去耦。
            
　　3.2 tc35 软件指令
               
　　(1) 基本at指令：读取短信支持格式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默认的是text模式，因此要发中文短信必须在每次开机时更改短信支持格式。输入：at+cmgf=0返回：ok。
               
　　(2) 中英文短信的发送。英文短信的分析：at+回车：通讯握手指令，返回：ok。指令：at+cmgf=1。设置为pdu模式，为发送中文汉字准备(若开机时默认为1)，返回：ok，at+cscs=" gsm "(若开机时默认为gsm)，设置tc35的工作模式。短信息的发送分成两步：a、发送接收的手机号码,等待应答：“>"，指令：at+cmgs="13587654321"回车(目的地址)，tc35回应：at+cmgs="1-3587654321" >。b、输入短信息的内容(只能是英文)：test 回车。
               
　　中文短信发送的基本原理分析：使用串口调试助手成功发送的中文短信息完整过程，短信中心号码：13800513500；短信接收方号码：13587654321；短信内容：“华科大文华学院”。
            
　　指令：at+回车：通讯握手，返回：ok，指令：at+cmgf=0 设置为pdu模式，因为要发送中文汉字，返回：ok，at+cmgs=6 (此数是十进制)，发送短消息的字节数(即phone+msg的字节数)>。可以接收数据：089168310 -8200705f011000b813185674523 -    f10008c20c534e79d159276587534e5b66962。指令：+cmgs: 45 返回：ok (注释：08表示短消息中心地址长度；91表示短消息中心号码类型；683108200705f0表示短消息中心号码13800270500；1100表示发送短消息的编码方式；0d表示目的地址长度；91表示目的地址类型；3185674523f1——表示目的地址，即接收短消息的手机号码为13587654321；3208表示发送中文字符方式；c2表示有效期(tp-vp) 5 分钟a7(24小时)；0c表示短消息长度；534e79d159276587534e5b6 -69662——表示发送中文字符的unicode码。

    4  软件设计
            
　　4.1 主程序流程图
               
　　软件设计采用c语言编写、模块化程序设计。stc89c52单片机对tc35模块进行通信，首先设置波特率，通常为9600bit/s，然后再根据实际需要对中断端口进行相应的初始化设置。根据被监控对象的实际情况，主流程图如图3所示。

                                                           图3  系统软件主流程图

            
　　4.2部分程序源代码
               
　　以下是基于stc89c52单片机与tc35通讯接口的部分通信程序，该程序已经通过调试并在开发装置上正常运行。

                //打电话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发送打电话的at指令
                sendasc(over);  //回车
                delay1s(25); // 延时9秒
                sendtotc35(ringoff_tc35,sizeof(ringoff_tc35)-1); //关机
                sendasc(over);
                delay1s(2);
                }
                }
               
　　本程序源代码实现打电话功能，其中考虑将at指令转化成ascii码的形式对tc35进行控制。

            
    5  系统稳定性分析            
　　本文研究对象为防盗系统，要求系统稳定，为此进行如下处理：在系统初始化中，间断重复启动三次，以保证能够正常登录网络，最后以短信形式加以确认。主要用单片机对tc35进行控制，单片机的稳定性不可忽视。因外部看门狗的稳定性比内部看门狗的稳定性高，于是采用外部看门狗定时清零，以适应恶劣的工作环境。电源的可靠性也至关重要，为此采用双电源模式。在外部无电源情况下采用内部蓄电池供电，根据用户需要可以采用不同容量的蓄电池以保证其供电时间；在有外接电源情况下，外部供电为主，在此时蓄电池供电不足，便自动开始充电。为了使用户了解系统的工作状态，根据客户需要以短信形式进行定时发送安全回复报告。

            
    6  结束语            
　　设计结合gsm网络，综合利用西门子公司的tc35模块对电力变压器实现了现代的防盗报警系统。整个设计充分考虑了系统中可能出现的各种意外情况，根据具体情况设计了相应的功能。本设计借助目前最可靠、最成熟的gsm移动网络，在软件设计上也进行了相应的人性化设计，满足不同用户的需求。