基于GPRS无线技术的架空电力线路监测系统

出处：davali 发布于：2009-09-14 15:01:10

　　摘要：简述了GPRS无线业务特点，然后重点讲述了基于GPRS的架空电力线路监测系统的组成、原理以及软硬件设计。实践证明GPRS技术非常适用于要求实时性的、大数据量传送的应用场合。

　　1前言

　　随着信息技术的迅速发展，架空电力线路正逐渐考虑采用无线监测系统来实现对架空电力线路的数据采集和运行状态监测。相比人工方式，无线监测系统具有很多优点：节省了大量的人力物力，可以随时抽测架空电力线路的各项运行参数，实时发现环境变化，实现对架空电力线路的实时控制等，真正的体现了智能化管理。

　　目前，无线监测系统的数据传送模式大多采用以下三种方式：集群电台、短消息（SM）、GPRS模式。考虑到所开发的架空电力线路监测系统所应用的环境、数据特点和生命周期，我们采用GPRS模式。因为GPRS是一项新兴出现的数据传送业务，费用低，数据采用网络方式传输，稳定可靠；同时利用现有的GSM基站系统，不需组建自己的网络，大大节省了组网成本。

　　2 基于GPRS的架空电力线路监测系统

　　3.1 系统组成

　　整个监测管理系统由现场监测终端、GPRS网络、外部数据网和监测中心服务器四部分组成。其结构组成平面图如下图2所示。

　　现场监测终端通过通信模块（GPRS模块）把传送数据分组，无线送到GPRS网络，再经由外部数据网，以TCP/IP传输协议送到监测中心服务器上；监测中心也可以反向传送各种指令到现场监测设备，控制终端的运行。外部数据网可以是因特网或专用数据网，但必须都以TCP/IP传输协议为基础。监测中心服务器以光纤专线或ISDN的方式接入到外部数据网中，分配有1个固定IP地址。

　　3.2 系统实现的功能

　　系统实现的功能主要包括数据采集传送、故障报警、实时控制和采集数据处理。现场监测设备采集温度、湿度、风速、风向、电力线振动等8项数据后，并根据中心命令实时上传。监测中心收到采集数据后，绘出架空电力线路一个运行周期内各项数据的曲线图，供技术人员分析架空电力线路运行状况。在现场出现故障（包括现场温度过高、瞬时风速太大、通讯不畅）的情况下，监测终端也能够实时上传故障信息。

　　3.3 现场监测终端组成及原理

　　（1）监测终端硬件组成现场监测终端的硬件结构连接如图3所示，主要由通信模块（GPRS模块）、外部存储器（FLASH）、传感器、电源和MCU（微处理器）组成。下面具体介绍各部分功能。

　　通信模块通信模块即GPRS模块，采用MOTOROLA公司提供的WAVECOM模块。它是一个完整的手机模块，属于移动设备端，负责和GSM、GPRS网络进行信令交换。通过串口可以实现对它的控制和进行数据传输，包括短信息和GPRS等。该模块需要一张开通GPRS业务的SIM卡，和它配套使用。

　　存储器

　　存储器采用FLASH型存储器，保存一些重要的数据，这些数据在系统掉电后是不能丢失的。主要存储监测中心IP和端口号、口令、采集数据等。它与MCU之间采用地址总线和数据总线复用的方式，中间加地址锁存器，来锁定低8位地址。

　　传感器

　　本系统采用了3个传感器，来完成对架空电力线路状态的监测。其中，温度传感器和风速/风向传感器分别用于测量架空电力线路上的温度和周围环境中的风速/风向信息；振动传感器用于测量架空电力线路上的振动信号。它采用CAN总线通信模式，通过电平转换器和MCU的串口相连，数据更新时间为15分钟。

　　电源

　　电源是采用太阳能电池并加以备用的锂电池，电源部分通过加一些必要的滤波及电压转化电路，来终输出24V、12V和5V的3组直流电，供各个传感器和MCU等部件使用。

　　MCU

　　MCU采用INTEL公司生产的PXA255 32位控制处理器。该芯片具有功能强大、集成度高、性能稳定等特点，不仅能够满足终端系统设计的需要，而且也非常适合于架空电力线路这种恶劣环境。在此系统中我们主要应用该芯片的如下功能；

　　首先，是它的一个硬件串口。这个串口分别以定时器2作为波特率发生器，波特率为9600，工作模式采用8位数据位、无校验位模式。这个串口分别与WACECOM模块进行通信。程序中接收数据采用中断方式。其次，应用模数转换器ADC0.该模数转换器有8路信号输入通道，由一个可配置模拟多路开关，来控制选通每一路信号。

　　系统采用它的三个模拟输入通道，AIN0通道接温度传感器输出端，AIN1通道接风速/风向传感器输出端，AIN2通道接振动传感器输出端，这三个通道采用交替选通的工作方式。模数转换输出选用12位有效输出，由定时器3溢出来启动ADC转换。程序在ADC转换结束中断程序中，接收采样转换后的数据。

　　（2）软件控制部分

　　由于硬件采用的都是大规模、高集成度的芯片和模块，使得硬件设计相对简单和通用，所以该终端的大部分工作都集中到软件上。下面主要对其中的网络连接和数据采集传送部分作一介绍。

　　1）GPRS网络连接

　　我们终目的是要把数据送到网络中，并要接收网络传来的数据。因此，在此之前，为关键的工作就是要使监测终端无线接入到GPRS网络中，这个功能是由GPRS模块来完成的。在使用GPRS模块之前，首先需要对GPRS模块进行初始化，包括设定它的工作模式、外部接入点和使用的协议类型等。

　　然后，就可以发送ATD拨号命令进行GPRS网络连接了。拨号连接过程和PC机拨号接入INTERNET一样，遵循PPP(Point to Point Protocol)协议，要经过一系列握手协议操作。PPP协议的帧格式如表1所示。

　　标识0x7E用于帧同步，指示一帧的开始，在两帧之间只需一个该标识即可。地址位0XFF定义了“所有站”地址，要求所有的接收端都要接收。控制域为一个字节，值为3，其它值无效，会被丢弃。协议域指定协议的类型，一般为两个字节，如采用压缩协议，则可以为一个字节。FCS校验采用16位方式，也可以是32位，如果传输中FCS校验不正确，该帧数据会被自动丢弃。

　　2）数据采集传送过程

　　数据采集主要是指架空电力线路运行中的一个采集周期内，温度传感器、风速/风向传感器、振动传感器输出的AD转换值。所有的参量采集完毕后，总数据量为10K左右。

　　数据采集完毕后，要传送到监测中心。由于各项参量数据不是独立传送的，所以首先要采用TLV(标识、长度、数据)的格式对所有的数据按顺序进行编码打包。然后，再以固定的长度对打包好的数据进行分块，分块的目的是保证每次送入网络的数据长度适中，易于网络传输。之后再调用数据传输子程序把每块数据顺序发送出去。

　　在数据传输子程序中，原始数据块依次由应用层数据传送命令报文、传输层UDP包、网络层IP包和链路层PPP帧报文进行封装，然后送入WAVECOM模块，发送到网络中。传输层采用了UDP(用户数据报协议)协议，该协议是一种面向无连接的传输协议，其本身没有应答机制和命令重发机制，属于小的、节约资源的传输层协议，传输速度快。而我们在应用层采用了应答和重发机制，所以可以确保数据被收到。网络层则采用IP协议，IP头里包含了本机IP地址和监测中心IP地址，指出了数据的传送路径。

　　4 结束语

　　本文主要分析了独立开发的基于GPRS的架空电力线路监测系统的工作原理，软硬件组成等。目前，该系统在实际中得到了较好的应用，并在实用中得到了好*。