在電力用戶的用電量中，工業(yè)大用戶的用電量占整個用電量(包括居民用戶)的60％～80％。為準(zhǔn)確、可靠地對工業(yè)大用戶用電進行計量，對電網(wǎng)的輸變電元件進行監(jiān)測，本文根據(jù)實際情況開發(fā)了基于全球移動通信系統(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)的管理機制相匹配，可大幅度減少管理成本，實現(xiàn)了抄表數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運行狀態(tài)及時準(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現(xiàn)進行詳細(xì)的介紹。
1 GSM及其移動短消息業(yè)務(wù)
GSM系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通信中比較成熟、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)字蜂窩移動通信網(wǎng)是我國公眾移動通信網(wǎng)的主要方式。
GSM短消息是移動通信部門利用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)信道呼叫時使用獨立專用控制信道(SDCCH)，有業(yè)務(wù)信道呼叫時使用慢伴隨控制信道(SACCH)。因此允許用戶在做一個話音或數(shù)據(jù)呼叫的同時接收一個文本消息。同時，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)，一個活躍移動臺能夠在任何時候發(fā)送和接收一個短消息的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)單元(TPDU)，不管當(dāng)時業(yè)務(wù)信道上是否有正在進行的話音和數(shù)據(jù)呼叫。值得一提的是GSM短消息的傳遞是有保證的，即使一個目的蜂窩終端不可達(比如關(guān)機或不在服務(wù)區(qū)內(nèi))，網(wǎng)絡(luò)也會保留發(fā)給它的消息并當(dāng)該蜂窩終端重新出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中時傳遞。短消息可以傳送的最大消息長度為140字節(jié)或160個字母數(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)局局端抄表計算機、GSM采集器、智能電能表三部分組成。分為二層結(jié)構(gòu)：上層(局端抄表計算機與采集器之間)數(shù)據(jù)通信采用星型網(wǎng)絡(luò)，局端抄表計算機、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，完成局端抄表計算機和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行通信，實現(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模塊是一個達到工業(yè)級標(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)通過移動終端的電話號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算機提供一個網(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行實時監(jiān)察。
(3)短消息數(shù)據(jù)處理：解析收到的局端抄表計算機的抄表消息，并將抄表所得的數(shù)據(jù)進行標(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和局端抄表計算機通信，接收抄表、對時信息；向局端抄表計算機發(fā)送抄表數(shù)據(jù)和報警信息。
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)存儲抄表數(shù)據(jù)；通過16C550作為串口擴展電路和TC35i通信實現(xiàn)短消息的收發(fā)；時鐘電路為系統(tǒng)提供實時時鐘；而顯示電路用來顯示采集器當(dāng)前的狀態(tài)；同時，系統(tǒng)通過對89C51進行軟件編程實現(xiàn)智能控制。
4 TC35i和單片機的通信
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，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，則后一條命令不會被執(zhí)行。所以，單片機必須在發(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間(試驗證明1秒的等待是必須的)后再發(fā)新的AT命令。
TC35i同時支持文本(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，TC35i將按照文本模式識別短消息)。
4．2短消息的接收和存儲
由于短消息在傳輸過程中有時延，所以短消息的到達時間是不確定的。因此必須設(shè)定短消息到達提示命令，并定時檢測，這樣可以通過在TC35i上電時對其進行初始化實現(xiàn)。設(shè)定短消息到達自動提示的AT命令為AT+CNMI=3，1，0，2。當(dāng)短消息到達時會收到+CMTI："SM"，n的提示消息，其中+CMTI：為提示信息的幀頭，"SM'，表示短消息的存儲區(qū)域為SIM卡存儲區(qū)，n為新到的短消息在指定存儲區(qū)的存儲序號，可以根據(jù)序號到給定的存儲區(qū)將短消息讀出來。
為了在有限的空間存儲更多的有效信息，TC35i為短消息提供了3個存儲區(qū)域，每個區(qū)域都可以存儲20條短消息，并可以指定短消息存儲地址的優(yōu)先級。將接收到的短消息存儲到SIM卡可節(jié)省Modem內(nèi)部尋址時間，這是最快的存儲方式。所以在保證收到的短消息及時處理的條件下，將接收到的短消息優(yōu)先存儲到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。對于不同的存儲區(qū)域應(yīng)該采取不同的讀命令，讀存儲在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，Modem只返回OK；SIM卡中有新的短消息時，Modem在短消息設(shè)定為PDU模式時按以下格式返回新短消息：
第1條未讀的短消息(識別短消息頭字節(jié)+短消息體)
……
第N條未讀的短消息(識別短消息頭字節(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卡短消息存儲區(qū)中的存儲序號，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新收到的短消息，它總是將收到的短消息放在最小的存儲序號位置，當(dāng)所有的存儲區(qū)被填滿時，將不再接收新的短消息，所以經(jīng)過處理的短消息要及時刪除。刪除短消息的AT命令為：AT+CMGD=n，其中n表示將要刪除的短消息的序號。
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，進行數(shù)據(jù)處理時必須進行相應(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)局進行了試運行。實踐證明，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、實時性等方面的要求，實現(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，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)濟效益。P> (3)短消息數(shù)據(jù)處理：解析收到的局端抄表計算機的抄表消息，并將抄表所得的數(shù)據(jù)進行標(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。
