基于SMS的水文SCADA系統(tǒng)設(shè)計

摘    要：本文論述了采用W77E58單片機(jī)控制GSM模塊TC35，并利用短消息傳輸來實現(xiàn)水文SCADA系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)通過RTU采集各種信息，整理后由TC35模塊發(fā)送到監(jiān)控中心，再由監(jiān)控中心作出相應(yīng)的處理。
關(guān)鍵詞：W77E58；TC35；SCADA；RTU

引言
SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系統(tǒng)即監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是以計算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)測控制與調(diào)度管理自動化系統(tǒng)。一般采用分散式測控、集中式管理的方式。整個系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個分散的遠(yuǎn)程測控終端RTU和通信連接三部分組成。監(jiān)控中心是SCADA系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制管理整個系統(tǒng)的運行；RTU是采用微處理器的、可獨立運行的智能測控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及與遠(yuǎn)程控制中心的通信；通信連接方式根據(jù)實際需求和應(yīng)用對象的不同有多種實現(xiàn)方式，大概分為有線和無線兩類。有線傳輸方式如：電力線載波、現(xiàn)場總線和PSTN公用電話網(wǎng)等；無線傳輸方式如：電臺、GSM移動通訊網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)等。鑒于水文特點的考慮：RTU放置在野外，甚至有的地方并沒有交流電源，更不可能采用現(xiàn)場總線的方式。而公眾移動通訊網(wǎng)絡(luò)GSM現(xiàn)已成為我國公眾陸地移動通訊網(wǎng)絡(luò)的主要方式。提供了多種業(yè)務(wù)，例如短信息業(yè)務(wù)等。為此本文設(shè)計了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的一種主要業(yè)務(wù)—SMS的水文SCADA系統(tǒng)。

水文SCADA系統(tǒng)的設(shè)計
該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：監(jiān)控中心、若干個RTU及短信息服務(wù)中心。RTU具有采集各種物理量(例如采集溫度，電壓等)和收發(fā)信息等功能。首先，監(jiān)控中心發(fā)送設(shè)置命令，初始化系統(tǒng)，設(shè)置需要采集的物理量等信息。然后，發(fā)送采集命令，由RTU采集各種數(shù)據(jù)。當(dāng)遠(yuǎn)程模塊采集完后，經(jīng)W77E58的處理，以短消息的方式發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心再將數(shù)據(jù)整理存入數(shù)據(jù)庫中。如果某遠(yuǎn)程模塊出現(xiàn)了故障，通過TC35模塊發(fā)送故障信息，在監(jiān)控中心進(jìn)行相應(yīng)的判斷，如判定告警地點、告警類型、對告警信息進(jìn)行統(tǒng)計和分析、設(shè)置告警監(jiān)控模塊配置信息等。本水文SCADA系統(tǒng)如圖1所示。
監(jiān)控中心組成及功能
水文SCADA監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、后備機(jī)、短信息接收與發(fā)射模塊構(gòu)成。服務(wù)器采用VC++編程，實現(xiàn)人工界面并通過串口與短信息接收/發(fā)送模塊相連。服務(wù)器接收RTU的數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息，然后對接收的信息進(jìn)行解析，并判斷是否為有效信息，若為有效信息則存入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，同時作出相應(yīng)的處理(例如報警、更改RTU參數(shù)等)。服務(wù)器可向各RTU發(fā)送命令信息改變RTU的一些參數(shù)。
控制中心的主要功能：動態(tài)顯示SCADA系統(tǒng)中每個RTU在該地區(qū)地圖中的位置和各RTU的工作狀態(tài)(例如：電壓、溫度等)和參數(shù)(例如：水位、雨量等)；定時檢查各RTU，若不正常，則自動向管理人員手機(jī)發(fā)送報警信息，實現(xiàn)無人值班；對各RTU的水文信息進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析(例如：水位趨勢圖)；設(shè)置各RTU的采樣周期、信息發(fā)送時間間隔和其他參數(shù)(例如：警戒水位、雨量閥值等)。
RTU結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計
RTU模塊主要由短信息接收與發(fā)送模塊TC35、微處理器W77E58和一些外圍電路構(gòu)成。TC35模塊是Siemens公司無線通信產(chǎn)品，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。模塊的工作電壓為3.3~5.5V。集成AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、傳真以及非透明傳輸模式。常用工作模式有SLEEP、IDLE、TALK等模式，通過40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音及控制信號的雙向傳輸。微處理器W77E58控制TC35，并根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置，向監(jiān)控中心定時發(fā)送相應(yīng)的采集信息，同時接收監(jiān)控中心的指令、識別、翻譯并控制RTU模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作。其它外圍電路及主要功能主要如下：
外部存儲器：對于水文數(shù)據(jù)，在發(fā)送后保存一份數(shù)據(jù)的拷貝，最小為2Mbytes。
采樣模塊：RTU實時測量線路的參數(shù)，包括電壓、溫度等。為了提高單片機(jī)的利用，本設(shè)計采用I2C總線器件TLC0832和單總線器件DS18B20分別采集電壓和溫度。雨量和水位的信息分別由雨量計和水位傳感器采集。
鍵盤顯示模塊：鍵盤功能主要有設(shè)置時間基準(zhǔn)、改變采樣間隔、改變監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)拷貝的復(fù)制、RTU的測試等，液晶實時顯示RTU狀態(tài)參數(shù)等。
RTC模塊：采用時鐘芯片PCF8583提供精確時鐘信號，包括年、月、天、時、分、秒?？赏ㄟ^鍵盤人工修改或者監(jiān)控中心統(tǒng)一校時，也可以以短信中心時間為基準(zhǔn)統(tǒng)一校時。同時PCF8583提供定時中斷信號和系統(tǒng)復(fù)位信號，而且用戶可以利用其內(nèi)部240B SRAM。
TC35接口電路：其接口采用ZIF40連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音及控制信號的雙向傳輸。
W77L58單片機(jī)：RTU主要由W77E58測控系統(tǒng)組成。內(nèi)置1KB SRAM和32KB EEPROM，并帶有2個UART口，可以不用擴(kuò)展外部存儲器和通訊口，從而提高了RTU的穩(wěn)定性。RTU結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。
 
軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括RTU軟件設(shè)計、監(jiān)控中心軟件設(shè)計和通訊軟件設(shè)計。其關(guān)鍵部分為通訊軟件的設(shè)計，限于篇幅，在此僅介紹通訊接口程序的設(shè)計。
TC35支持GSM07.05規(guī)定的AT指令集，該指令包括了對SMS的控制。W77E58通過串口向TC35發(fā)送一系列的AT命令來控制TC35收發(fā)信息。GSM通過異步通信口實現(xiàn)收發(fā)短信息的方式有三種：BLOCK MODE、基于AT命令的TEXT MODE和PDU MODE。一般而言，GSM收發(fā)短信息所用的都是PDU MODE。PDU相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)包，它由源地址、目的地址、有效時間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和信息主體等信息組成。
根據(jù)設(shè)置不同，TC35模塊將收到的短信息保存在緩沖單元或存入SIM卡中，W77E58從SIM卡或緩沖單元中讀出信息。

典型問題及解決方法
GRAY碼到HEX之間的轉(zhuǎn)換：為了降低誤碼率，一般的水位計都會采用12位GRAY碼，此時需要GRAY碼到HEX之間的轉(zhuǎn)換，考慮到程序的穩(wěn)定性和簡單性，優(yōu)先考慮采用查表法。
短信發(fā)送：短信息的發(fā)送可以采用PDU碼和TEXT方式。一般發(fā)送HEX數(shù)據(jù)最好采用PDU方式，在PDU方式下，對于不同的情況，可以采用不同編碼方式：例如對于報警信息，需要在有關(guān)的工作人員的手機(jī)上顯示，可以采用其編碼DCS=08；而對于一些數(shù)據(jù)信息沒有必要在手機(jī)上顯示的，我們可以采用DCS=04。這樣在發(fā)送端和接收端都不再需要PDU的編碼和解碼。當(dāng)然在發(fā)送短信之前，我們需要將中心站號碼設(shè)置為與SIM 相配的號碼，例如廣州的短信中心為8613800200500，考慮到其兼容性，建議在初始化時使用AT+SCA？命令來得到與SIM卡相配的中心站號碼。
接收短信：接收短信有存SIM卡和不存SIM卡方式。主要由AT+CNMI命令來控制?？紤]到SIM卡的使用壽命和設(shè)計的簡單化，一般不需要將接收的信息存入SIM卡，而是直接從串口發(fā)出。建議在使用SIM卡之前，將SIM卡清空，因為當(dāng)SIM卡存滿短信息后，就可能接收不到短信。

結(jié)語
該水文SCADA系統(tǒng)由于采用了較完善的軟、硬件設(shè)計和抗干擾措施，從而保證了系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。已運行了一年多時間，運行結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定?！?/p>

參考文獻(xiàn)
1 Digital cellular telecommunications system (Phase 2+);Use of Data Terminal Equipment-Data Circuit Terminating;Equipment (DTE-DCE) Interface for Short Message Service (SMS) and Cell Broadcast Service (CBS) (GSM 07.05 version 7.0.1 Release 1998).
2 D15 Modem Intergration and Application Developers Guide version draft 0.53.
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4 GSM03.40(Version 5.3.0 Release 1996):European digital cellular telecommunications system (Phase +2);Technical realization of the Short Message Service Point to Point.
5 韓斌杰.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.機(jī)械工業(yè)出版社,2001.