基于SMS的水文SCADA系统设计题
 

摘 要本文论述了采用W77E58单片机控制GSM模块TC35,并利用短消息传输来实现水文SCADA系统的方案。该系统通过RTU采集各种信息,整理后由TC35模块发送到监控中心,再由监控中心作出相应的处理。
关键词:W77E58;TC35;SCADA;RTU

引言
SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系统即监视控制与数据采集系统,是以计算机为基础的监测控制与调度管理自动化系统。一般采用分散式测控、集中式管理的方式。整个系统由监控中心、若干个分散的远程测控终端RTU和通信连接三部分组成。监控中心是SCADA系统的核心,负责控制管理整个系统的运行;RTU是采用微处理器的、可独立运行的智能测控模块,完成各种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及与远程控制中心的通信;通信连接方式根据实际需求和应用对象的不同有多种实现方式,大概分为有线和无线两类。有线传输方式如:电力线载波、现场总线和PSTN公用电话网等;无线传输方式如:电台、GSM移动通讯网以及卫星通信网等。鉴于水文特点的考虑:RTU放置在野外,甚至有的地方并没有交流电源,更不可能采用现场总线的方式。而公众移动通讯网络GSM现已成为我国公众陆地移动通讯网络的主要方式。提供了多种业务,例如短信息业务等。为此本文设计了基于GSM网络的一种主要业务—SMS的水文SCADA系统。

水文SCADA系统的设计
该系统总体结构主要由三部分构成:监控中心、若干个RTU及短信息服务中心。RTU具有采集各种物理量(例如采集温度,电压等)和收发信息等功能。首先,监控中心发送设置命令,初始化系统,设置需要采集的物理量等信息。然后,发送采集命令,由RTU采集各种数据。当远程模块采集完后,经W77E58的处理,以短消息的方式发送到监控中心,监控中心再将数据整理存入数据库中。如果某远程模块出现了故障,通过TC35模块发送故障信息,在监控中心进行相应的判断,如判定告警地点、告警类型、对告警信息进行统计和分析、设置告警监控模块配置信息等。

监控中心组成及功能
水文SCADA监控中心主要由服务器、后备机、短信息接收与发射模块构成。服务器采用VC++编程,实现人工界面并通过串口与短信息接收/发送模块相连。服务器接收RTU的数据信息和状态信息,然后对接收的信息进行解析,并判断是否为有效信息,若为有效信息则存入系统的数据库,同时作出相应的处理(例如报警、更改RTU参数等)。服务器可向各RTU发送命令信息改变RTU的一些参数。
控制中心的主要功能:动态显示SCADA系统中每个RTU在该地区地图中的位置和各RTU的工作状态(例如:电压、温度等)和参数(例如:水位、雨量等);定时检查各RTU,若不正常,则自动向管理人员手机发送报警信息,实现无人值班;对各RTU的水文信息进行处理和统计分析(例如:水位趋势图);设置各RTU的采样周期、信息发送时间间隔和其他参数(例如:警戒水位、雨量阀值等)。

RTU结构模块设计
RTU模块主要由短信息接收与发送模块TC35、微处理器W77E58和一些外围电路构成。TC35模块是Siemens公司无线通信产品,可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。模块的工作电压为3.3~5.5V。集成AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息、传真以及非透明传输模式。常用工作模式有SLEEP、IDLE、TALK等模式,通过40引脚的ZIF连接器,实现电源连接、指令、数据、语音及控制信号的双向传输。微处理器W77E58控制TC35,并根据相应的设置,向监控中心定时发送相应的采集信息,同时接收监控中心的指令、识别、翻译并控制RTU模块执行相应的操作。其它外围电路及主要功能主要如下:
外部存储器:对于水文数据,在发送后保存一份数据的拷贝,最小为2Mbytes。
采样模块:RTU实时测量线路的参数,包括电压、温度等。为了提高单片机的利用,本设计采用I2C总线器件TLC0832和单总线器件DS18B20分别采集电压和温度。雨量和水位的信息分别由雨量计和水位传感器采集。
键盘显示模块:键盘功能主要有设置时间基准、改变采样间隔、改变监控中心、数据拷贝的复制、RTU的测试等,液晶实时显示RTU状态参数等。
RTC模块采用时钟芯片PCF8583提供精确时钟信号,包括年、月、天、时、分、秒。可通过键盘人工修改或者监控中心统一校时,也可以以短信中心时间为基准统一校时。同时PCF8583提供定时中断信号和系统复位信号,而且用户可以利用其内部240B SRAM。
TC35接口电路:其接口采用ZIF40连接器,实现电源连接、指令、数据、语音及控制信号的双向传输。
W77L58单片机:RTU主要由W77E58测控系统组成。内置1KB SRAM和32KB EEPROM,并带有2个UART口,可以不用扩展外部存储器和通讯口,从而提高了RTU的稳定性。RTU结构简图如图2所示。

软件设计
系统软件设计包括RTU软件设计、监控中心软件设计和通讯软件设计。其关键部分为通讯软件的设计,限于篇幅,在此仅介绍通讯接口程序的设计。
TC35支持GSM07.05规定的AT指令集,该指令包括了对SMS的控制。W77E58通过串口向TC35发送一系列的AT命令来控制TC35收发信息。GSM通过异步通信口实现收发短信息的方式有三种:BLOCK MODE、基于AT命令的TEXT MODE和PDU MODE。一般而言,GSM收发短信息所用的都是PDU MODE。PDU相当于一个数据包,它由源地址、目的地址、有效时间、数据格式、协议类型和信息主体等信息组成。 根据设置不同,TC35模块将收到的短信息保存在缓冲单元或存入SIM卡中,W77E58从SIM卡或缓冲单元中读出信息。

典型问题及解决方法
GRAY码到HEX之间的转换:为了降低误码率,一般的水位计都会采用12位GRAY码,此时需要GRAY码到HEX之间的转换,考虑到程序的稳定性和简单性,优先考虑采用查表法。
短信发送:短信息的发送可以采用PDU码和TEXT方式。一般发送HEX数据最好采用PDU方式,在PDU方式下,对于不同的情况,可以采用不同编码方式:例如对于报警信息,需要在有关的工作人员的手机上显示,可以采用其编码DCS=08;而对于一些数据信息没有必要在手机上显示的,我们可以采用DCS=04。这样在发送端和接收端都不再需要PDU的编码和解码。当然在发送短信之前,我们需要将中心站号码设置为与SIM 相配的号码,例如广州的短信中心为8613800200500,考虑到其兼容性,建议在初始化时使用AT+SCA?命令来得到与SIM卡相配的中心站号码。
接收短信:接收短信有存SIM卡和不存SIM卡方式。主要由AT+CNMI命令来控制。考虑到SIM卡的使用寿命和设计的简单化,一般不需要将接收的信息存入SIM卡,而是直接从串口发出。建议在使用SIM卡之前,将SIM卡清空,因为当SIM卡存满短信息后,就可能接收不到短信。

结语
该水文SCADA系统由于采用了较完善的软、硬件设计和抗干扰措施,从而保证了系统工作的安全性和可靠性。已运行了一年多时间,运行结果表明系统工作稳定