基于MC37i的電源無線監(jiān)測器
2012-04-12 00:00:00姜作喜等
現(xiàn)代電子技術(shù) 2012年1期
摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對某野外測量設(shè)備不間斷電源的無線監(jiān)測，基于GSM模塊MC37i研制了一種電源遠(yuǎn)程無線監(jiān)測器，在軟件中設(shè)計了獨(dú)特的“虛擬沙漏”，以有效地判斷電源異常事件的發(fā)生。試驗(yàn)表明，電源監(jiān)測器能夠?qū)υ撛O(shè)備不間斷電源進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：不間斷電源； 無線監(jiān)測； GSM模塊； 虛擬沙漏
中圖分類號：TN86-34； TP277
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)01-0092-03
Wireless power supply monitor based on MC37i
JIANG Zuo-xi， ZHOU Xi-hua， MI Yao-hui， WANG Peng
(Dept. of Geophysical， China National Land and Resource Airborne Geophysical and Remote Sensing Center， Beijing 100083， China)
Abstract：
A wireless power monitor based on MC37i GSM module was designed for monitoring the uninterruptible power supply of outdoor equipment. A special virtual hourglass in control program was designed to estimate the abnormal power event effectively. The experiment proves that the instrument can perform a reliable wireless remote monitoring on the uninterruptible power supply of the equipment.
Keywords： uninterruptible power supply；wireless monitoring；GSM module；virtual hourglass
收稿日期：2011-08-15
基金項(xiàng)目：國家863計劃重大項(xiàng)目(2006AA06A200)資助;中國國土資源航空物探遙感中心對地觀測技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室課題資助
0 引 言
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移動通信系統(tǒng))是目前全球最成熟的數(shù)字移動通信標(biāo)準(zhǔn)，它具有保密性和抗干擾性強(qiáng)、容量大、頻率資源利用率高、接口開放、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。我國目前已建成了覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，是我國公眾陸地移動通信網(wǎng)的主要方式[1]。GSM無線網(wǎng)絡(luò)特別適合于小數(shù)據(jù)量的實(shí)時傳輸，如在某些行業(yè)上的應(yīng)用：遙測、遙感、遙控、氣象、水文系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)、電網(wǎng)實(shí)時監(jiān)控和維護(hù)等等[2]。GSM模塊或GPRS模塊已經(jīng)成為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要選擇，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。
本文利用GSM模塊MC37i配合微控制器C8051F020開發(fā)了一種電源無線監(jiān)測器，對某野外測量設(shè)備不間斷電源進(jìn)行遠(yuǎn)程無線監(jiān)測。
1 硬件設(shè)計
某野外測量設(shè)備需要不間斷供電，該設(shè)備不間斷供電電源主要由逆變器、蓄電池和直流穩(wěn)壓電源[3]三部分組成，如圖1所示。
圖1 某測量設(shè)備不間斷供電電源
需要對不間斷電源的輸入交流電和輸出直流電兩個節(jié)點(diǎn)(如圖1所示)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)并排除故障，保證設(shè)備正常供電。
1.1 總體結(jié)構(gòu)
監(jiān)測器硬件組成原理如圖2所示。
圖2 電源無線監(jiān)測器原理圖
交流電信號和直流電兩路信號通過接口進(jìn)入監(jiān)測器，通過信號采集電路轉(zhuǎn)換為低壓模擬信號與微控制器模/數(shù)轉(zhuǎn)換模擬開關(guān)連接；微控制器通過串口1與GSM模塊進(jìn)行通信，收發(fā)短信息；微控制器通過串口2與上位計算機(jī)進(jìn)行通信，使用串口助手或超級終端等串口軟件可以對監(jiān)測器進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置；存儲器芯片通過I2C接口[4]與微控制器進(jìn)行通信，監(jiān)測器參數(shù)存儲于存儲芯片內(nèi)，可以通過手機(jī)或串口對監(jiān)測器參數(shù)進(jìn)行查看和設(shè)置。
1.2 電源電路
監(jiān)測器利用第一路信號交流電(如圖2所示)作為工作電源。通過益弘泰開關(guān)電源模塊YAS2.5-12將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電為監(jiān)測器供電。監(jiān)測器使用鋰電池組作為備用電源，外接交流電時可以為鋰電池組充電，當(dāng)失去交流電時，鋰電池將為監(jiān)測器供電，確保將報警短信發(fā)送到工作人員手機(jī)。鋰電池組電壓為7.4 V，容量1 500 mAh，監(jiān)測器在只利用鋰電池組供電的情況下可以連續(xù)工作10 h。
1.3 信號采集電路
第一路輸入不間斷電源的交流電通過電流互感器[5]TVA1421轉(zhuǎn)換為小電流交流電，再經(jīng)過橋式整流、π型濾波處理和取樣電阻得到紋波低于0.1 V的與交流電壓值成比例關(guān)系的直流低電壓信號，如圖3所示，輸入微控制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換;第二路直流穩(wěn)壓電源輸出的直流電經(jīng)過電壓和電流采樣后從監(jiān)測器輸出，為測量設(shè)備供電，采樣得到的兩路模擬信號經(jīng)過放大后輸入微控制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
圖3 交流電壓采集電路
1.4 微控制器
監(jiān)測器采用微控制器C8051F020[6]作為計算和控制的核心。微控制器C8051F020集成了12 b模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率為100 KSPS，帶有8通道模擬多路開關(guān)，利用其中3路對由信號采集電路得到的3路模擬低壓信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；C8051F020有兩個UART串行接口，利用串口1與GSM模塊通信，串口2與上位計算機(jī)通信(如圖2所示)；C8051F020通過I2C接口與存儲芯片AT24C02[7]連接，AT24C02用于存儲監(jiān)測器配置參數(shù)。
1.5 GSM模塊電路
選用西門子工業(yè)級GPRS模塊MC37i[8]作為無線通信模塊，MC37i通過50腳板到板連接器與外界建立通信接口。MC37i模塊外圍電路如圖4所示。
在上電后MC37i為關(guān)閉狀態(tài)，C8051F020微控制器控制IGT引腳拉低至少100 ms即可開啟MC37i模塊；C8051F020微控制器通過串口1向MC37i發(fā)送關(guān)機(jī)指令“AT^SMSO”可以關(guān)閉MC37i模塊，如果MC37i不能正常關(guān)閉，還可以通過控制其EGOFF引腳拉低至少10 ms將其強(qiáng)制關(guān)機(jī)。
圖4 MC37i外圍電路
2 軟件設(shè)計
在Silicon Laboratories IDE程序開發(fā)環(huán)境下使用C51語言完成微控制器C8051F020控制程序的開發(fā)，控制程序流程如圖5所示。
圖5 微控制器C8051F020工作流程圖
程序運(yùn)行首先進(jìn)行初始化工作，包括程序初始化和MC37i模塊初始化。程序初始化主要進(jìn)行時鐘、接口、中斷、A/D轉(zhuǎn)換等配置，從E2PROM存儲器內(nèi)讀取配置參數(shù)，如工作人員手機(jī)號碼、信號閾值等；MC37i初始化主要進(jìn)行短信設(shè)置，檢測SIM卡，清理SIM卡內(nèi)存等。初始化MC37i時設(shè)置其收發(fā)短信采用Text模式。MC37i模塊發(fā)送短信的模式有三種:Block 模式、Text 模式和PDU 模式[9]，Text模式收發(fā)純文本短消息，原理簡單，所以選擇Text模式進(jìn)行短消息的發(fā)送。
初始化完成之后進(jìn)入循環(huán)工作狀態(tài)。在一個工作循環(huán)中依次完成以下幾步工作：A/D轉(zhuǎn)換、信號值計算和判斷、檢查串口1是否收到字符串、檢查串口2是否收到字符串。
通過模擬多路開關(guān)依次選擇交流電壓模擬信號、直流電壓模擬信號、直流電流模擬信號進(jìn)行12 b的A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換速率為100 Hz，對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行窗口滑動平均處理。
對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行計算，得到交流電壓值、直流電壓值和直流電流值，判斷是否在正常值范圍內(nèi)。程序設(shè)計了一種“虛擬沙漏”，以判斷某一異常事件的發(fā)生。該“沙漏”分藍(lán)色半?yún)^(qū)和紅色半?yún)^(qū)，程序初始化時藍(lán)色區(qū)賦值N，象征沙粒數(shù)量，紅色區(qū)賦值0，代表空。以交流電斷電事件為例，此事件對應(yīng)一個“交流電斷電虛擬沙漏”，程序在每一個工作循環(huán)檢測交流電壓，當(dāng)交流電壓低于設(shè)定值時，“交流電斷電虛擬沙漏”倒置開始計時，藍(lán)色區(qū)數(shù)值“漏”向紅色區(qū)，當(dāng)交流電壓高于設(shè)定值則相反；當(dāng)紅色區(qū)數(shù)值達(dá)到了N，則認(rèn)為交流電斷電事件發(fā)生，監(jiān)測器向工作人員發(fā)送報警短信；當(dāng)交流電恢復(fù)后，“交流電斷電虛擬沙漏”紅色區(qū)的數(shù)值則“漏”向藍(lán)色區(qū)，當(dāng)藍(lán)色區(qū)數(shù)值達(dá)到N后則認(rèn)為交流電恢復(fù)通電事件發(fā)生，通過短信向工作人員通報。
C8051F020串口1與MC37i模塊連接，在工作狀態(tài)中，每個工作循環(huán)檢測串口1是否收到字符串，當(dāng)串口1接收到MC37i發(fā)送的短信提示字符串后，程序通過向MC37i發(fā)送AT指令“AT+CMGR=
微控制器C8051F020串口2與上位計算機(jī)RS 232串口連接，當(dāng)串口2收到來自上位機(jī)的命令字符串，則執(zhí)行相應(yīng)的命令。
3 結(jié) 語
以GSM模塊MC37i和微控制器C8051F020為核心開發(fā)的電源無線監(jiān)測器具有操作簡單、穩(wěn)定可靠、成本低等特點(diǎn)，非常適合于野外測量設(shè)備電源的遠(yuǎn)程無線監(jiān)測。該監(jiān)測器只有一個電源開關(guān)，沒有顯示屏和操作按鍵，安裝SIM卡后，通過串口或發(fā)送短信進(jìn)行簡單設(shè)置后即可投入工作；獨(dú)特設(shè)計的“虛擬沙漏”可以可靠地監(jiān)測電源異常事件的發(fā)生，電源異常事件發(fā)生后監(jiān)測器會向工作人員發(fā)送報警短信，工作人員也可以向監(jiān)測器發(fā)送短信主動查詢監(jiān)測器測量值。
目前，該監(jiān)測器已經(jīng)通過了測試，現(xiàn)已應(yīng)用于對某野外測量設(shè)備電源的現(xiàn)場監(jiān)測，為設(shè)備穩(wěn)定工作提供了保障，降低了設(shè)備巡檢人員的工作強(qiáng)度，應(yīng)用效果顯著。該電源監(jiān)測器有一定的市場應(yīng)用前景。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］李元臣，劉維群.基于GSM模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微計算機(jī)信息，2007，23(28):90-94.
［2］張占新，孟如，孟慶洪，等.基于MC35的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.微計算機(jī)信息，2005，21(19):100-102.
［3］談蓓月.不間斷電源及其在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2002，18(2):63-67.
［4］宋杰，陳嵐，馮燕.一種I2C總線控制器的接口設(shè)計［J］.信息與電子工程，2010，8(4):467-471.
［5］陳繼煌，陳明軍.電子式電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電工程，2010，27(8):81-84.
［6］鐘秋航，王曉萍，聞春敖，等.基于單片機(jī)C8051F020的自動測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計工程，2011，19(2):102-105.
［7］盧旭錦.基于Keil C的AT24C02串行E2PROM的編程［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(8):154-160.
［8］李明明，何通能.基于MC37i的數(shù)傳終端設(shè)計［J］.機(jī)電工程，2011，28(4):482-485.
［9］李壽林，張鷹，李秀萍.利用GSM無線模塊收發(fā)短消息［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2005，33(7):79-84.
［10］馬玉春，孫冰，王建明.GSM模塊的綜合應(yīng)用研究［J］.計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2008，25(2):68-70.
作者簡介：
姜作喜 男，1981年出生，山東煙臺人，碩士，工程師。主要研究領(lǐng)域?yàn)榈厍蛭锢硖綔y儀器研究及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。
