基于GSM移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水文SCADA監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)控制與調(diào)度管理自動(dòng)化系統(tǒng)。一般采用分散式測(cè)控、集中式管理的方式。整個(gè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心、若干個(gè)分散的遠(yuǎn)程測(cè)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；RTU是采用微處理器的、可獨(dú)立運(yùn)行的智能測(cè)控模塊，完成各種遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際需求和應(yīng)用對(duì)象的不同有多種實(shí)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(chǎng)總線和PSTN公用電話網(wǎng)等；無線傳輸方式如：電臺(tái)、GSM移動(dòng)通訊網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)等。鑒于水文特點(diǎn)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(chǎng)總線的方式。而公眾移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)GSM現(xiàn)已成為我國(guó)公眾陸地移動(dòng)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(jì)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(jì)

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(gè)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(kù)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(diǎn)、告警類型、對(duì)告警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)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(duì)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(kù)，同時(shí)作出相應(yīng)的處理（例如報(bào)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(dòng)態(tài)顯示SCADA系統(tǒng)中每個(gè)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(shí)檢查各RTU，若不正常，則自動(dòng)向管理人員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)無人值班；對(duì)各RTU的水文信息進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析（例如：水位趨勢(shì)圖）；設(shè)置各RTU的采樣周期、信息發(fā)送時(shí)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(jì)

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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)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(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音及控制信號(hào)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(shí)發(fā)送相應(yīng)的采集信息，同時(shí)接收監(jiān)控中心的指令、識(shí)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(chǔ)器：對(duì)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(shí)時(shí)測(cè)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(jì)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(jì)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(shí)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(cè)試等，液晶實(shí)時(shí)顯示RTU狀態(tài)參數(shù)等。

RTC模塊：采用時(shí)鐘芯片PCF8583提供精確時(shí)鐘信號(hào)，包括年、月、天、時(shí)、分、秒?？赏ㄟ^鍵盤人工修改或者監(jiān)控中心統(tǒng)一校時(shí)，也可以以短信中心時(shí)間為基準(zhǔn)統(tǒng)一校時(shí)。同時(shí)PCF8583提供定時(shí)中斷信號(hào)和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，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(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音及控制信號(hào)的雙向傳輸。

W77L58單片機(jī)：RTU主要由W77E58測(cè)控系統(tǒng)組成。內(nèi)置1KB SRAM和32KB EEPROM，并帶有2個(gè)UART口，可以不用擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器和通訊口，從而提高了RTU的穩(wěn)定性。RTU結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括RTU軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)和通訊軟件設(shè)計(jì)。其關(guān)鍵部分為通訊軟件的設(shè)計(jì)，限于篇幅，在此僅介紹通訊接口程序的設(shè)計(jì)。

TC35支持GSM07.05規(guī)定的AT指令集，該指令包括了對(duì)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包，它由源地址、目的地址、有效時(shí)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(jì)都會(huì)采用12位GRAY碼，此時(shí)需要GRAY碼到HEX之間的轉(zhuǎn)換，考慮到程序的穩(wěn)定性和簡(jiǎn)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(duì)于不同的情況，可以采用不同編碼方式：例如對(duì)于報(bào)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(duì)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(hào)碼設(shè)置為與SIM 相配的號(hào)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(shí)使用AT+SCA？命令來得到與SIM卡相配的中心站號(hào)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(jì)的簡(jiǎn)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?yàn)楫?dāng)SIM卡存滿短信息后，就可能接收不到短信。

結(jié)語(yǔ)

該水文SCADA系統(tǒng)由于采用了較完善的軟、硬件設(shè)計(jì)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(yùn)行了一年多時(shí)間，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

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