智能型低压断路器的GPRS通信模块设计

王祥傲， 汪先兵

(滁州学院 机械与电气工程学院，安徽 滁州 239000)

随着智能电网产业的快速推进和微处理器技术的不断进步[1]，在低压断路器领域，国内外厂商的研究重点是集多种功能于一体的智能型开关设备，其具有监测、保护、故障记录和通信等功能[2-3]。今后，低压断路器将朝着高度智能化、通信网络化、产品模块化和通用化的方向发展[4-5]。

在智能供配电系统中，数据的传输一般采用基于现场总线的有线传输方式。在野外或不便于铺设线缆的地方，有线传输方式则受到了限制，而无线通信技术则可以克服上述缺点。GPRS作为一种成熟的无线通信技术，具有接入迅速、数据传输速度快和按流量计费等特点[6-7]，在低压断路器中的应用研究也逐渐得到厂商及客户的重视[8]。

本设计提出将无线GPRS通信技术应用于智能型低压断路器，实现对断路器工作状态的实时监测、保护和控制[9-10]，操作人员只需一部可以接入Internet的电脑或开通GPRS的手机就能够实现对智能型断路器的无线远程监控，从而为无人值守的工业监控提供更优的手段。

1 GPRS通信的智能型断路器系统结构

智能型低压断路器由断路器本体和远程通信单元构成。远程通信单元由四个功能模块组成，即：现场通信模块、微控制器模块、GPRS模块和电源模块。微控制器经串口控制现场通信模块和GPRS模块的工作。SIM900模块实现了GPRS/GSM物理层传输协议，内置TCP/IP协议栈，配合32位嵌入式微处理器，实现PPP、TCP、UDP、ICMP等众多复杂网络协议和SOCKET标准，提供全透明数据传输；设备能够随时随地通过GPRS网络接入Internet连接公网上的监控主站或通过手机短信进行数据传输。连接现场低压断路器的GPRS模块配备SIM卡。发送过程：低压断路器上传各种数据信息，由微处理器将这些数据信息打包封装，通过GPRS模块无线发送给用户中心手机。接收过程：GPRS模块将接收来的各种数据信息和命令格式，由微处理器解包处理，来实现对低压断路器的数据采集与远程控制。该硬件通信结构中，监控主站和用户中心手机发送或接收的命令格式依据标准的Modbus通信协议的数据格式进行传输。如图1所示为智能型低压断路器结构原理框图。

图1 智能型低压断路器GPRS数据终端结构原理框图

2 智能型低压断路器的GPRS通信单元硬件设计

2.1 SIM900的GPRS通信模块设计

本设计选取SIMCOM公司内嵌TCP/IP协议的SIM900芯片。SIM900模块采用单电源供电，VBAT供电范围3.2～4.8 V之间，推荐电压为4 V，模块射频发射时会导致电压跌落，此时电流的峰值最高会达到2 A以上，因此电源供电能力尽可能达到2 A，VBAT引脚需接大电容EC5，提高输出能力。系统工作时，MSP430F5438A微处理器先控制SIM900进行通信模式的选择(短信模式或TCP模式)，之后根据用户指令执行相应功能。通过PWRKEY引脚实现SIM900模块的开关机设计及时序。DTR引脚控制模块进入/退出sleep模式，模块开机前，微处理器端工作，客户端通过IO将模块DTR引脚直接拉低，待模块开机后将DTR引脚拉高，进入sleep模式。CTS透传状态下作为硬件流控使用，在透传模式下，模块完全处于数据态，模块内部buffer有8K的空间，正常情况下CTS引脚为低电平，如果buffer内数据大于6 K，模块CTS引脚置高。图2为SIM900通信模块的电路图。

图2 SIM900通信模块电路图

2.2 GPRS通信模块的SIM卡接口电路设计

SIM卡具有微处理器芯片，故需要供电、复位、时钟等外围电路。SIM900内部具有电压稳压器，可以向SIM卡提供电源和时钟信号等。SIM900与SIM卡的连接电路如图3所示，SIM_VDD引脚为SIM卡供电，SIM_RST引脚提供复位信号，SIM_CLK引脚提供时钟信号，SIM卡通过SIM_DATA引脚发送/接收数据。SIM卡模块支持1.8 V/3 V的SIM卡。SIM卡供电根据SIM卡类型自动选择输出电压，为3±0.3 V或1.8±0.18 V，引脚最大输出电流能力为10 mA。为了增强SIM卡部分的可靠性，SIM卡引脚连接电容EC6，以稳定电源输出，减小纹波，防止干扰。

图3 SIM900与SIM卡的连接电路

3 GPRS通信软件设计

3.1 手机短信GPRS通信软件设计

在进行短信无线数据传输前，需设置GPRS模块中SIM卡的号码以及用户手机号码。当用户手机发送采集或控制消息给GPRS通信模块的SIM卡时，SIM900模块在接收到消息后会通知微控制器读取消息文本，微控制器将这些数据读入，采用了中断触发的方式处理智能型低压断路器的数据，并设置了一个接收队列暂存这些数据，将数据封装成TCP/IP包，再封装为PPP包，在数据打包处理过程中，如果检测到网络系统的信号连接不畅通，或者不是GPRS网络覆盖区，将进行数据发送缓存处理，同时将数据放进发送队列等待发送。当重新检测到信号连接正常，经串口将数据发送给GPRS通信模块，使用AT命令控制SIM900通过GPRS网络与用户中心手机进行数据交互，微处理器与GPRS模块利用RS232串口实现数据交换与程序下载。手机短信GPRS通信流程如图4所示。

图4 手机短信GPRS通信流程图

3.2 Internet网络的GPRS通信设计

无线GPRS网络与Internet网络进行数据交换前，由于GPRS模块每次获得的动态IP地址可能不同，因此，一般情况下监控主站无法主动与GPRS模块通信连接。通信结构中需要建立一个具有固定IP地址的监控主站，其IP被固化在GPRS通信模块内。当GPRS模块上电被移动中心分配获得一个动态IP地址后，GPRS模块主动向固定IP地址的监控主站发出连接申请，获得连接允许后，监控主站和GPRS模块间始终保持通信连接。当出现通信不可靠或失败时，GPRS模块将自动断开当前连接，复位后重新申请连接，充分保证通信的可靠性和实时性。

当微处理器与GPRS通信模块上电复位后，首先对工作频率、通信波特率、接入网关和移动终端类别等参数进行设置，然后进行拨号和PPP协商，包括LCP协商、PAP协商以及IPCP协商，得到系统动态IP、动态网关和动态DNS，最终完成GPRS网络的Internet网络接入。PPP协议工作流程如图5所示。

图5 PPP协议工作流程图

GPRS模块获得动态IP后，主动与监控主站连接，连接成功后，与监控主站就建立了通信链路，随时收发数据。数据包发送过程为：程序采用中断触发的方式处理智能型断路器发送的数据，并设置一个接收队列暂存这些数据。微处理器将这些数据读入，将数据封装成TCP/IP包，再封装为PPP包，在数据打包处理过程中，如果检测到网络系统的信号连接不畅通，或者不是GPRS网络覆盖区，将进行数据发送缓存处理，同时将数据放进发送队列等待发送。当重新检测到信号连接正常，则经串口将数据发送给GPRS通信模块，使用AT命令控制SIM900通过GPRS网络与监控主站进行数据交互。数据包接收过程为：监控主站组建智能型断路器的通信命令帧，通过Internet网络发送到GPRS网络，程序中始终检测有无GPRS网络数据到达，如有，则通过AT命令读入数据，GPRS模块接收到分组数据后处理为TCP/IP包，并根据相应的协议对其解包，微处理器解析出具体的通信命令帧后，通过串口传输给断路器，断路器接收命令进行处理后并返回响应。GPRS无线网络通信流程如图6所示。

图6 GPRS无线网络通信流程图

手机发送中英文短信到SIM900模块上，然后读取模块接收的对应短信。对于中英文短信的读取，模块返回的内容是UNICODE编码的组合，实验测试时，将UNICODE码转换为汉字或字符。

发送指令AT+CMGF=1，用于设置文本模式，其次发送指令AT+CSMP=17,167,2,25,用于设置文本模式的参数，然后发送指令AT+CSCS=“UCS2”，用于设置UCS2编码字符集。手机号为：18255065653，发送中英文短信内容：智能型低压断路器的无线GPRS通信模块设计。首先使用UNICODE转换工具，将手机号码和发送的内容转换成UNICODE字符串。18255065653转换后的UNICODE码即为：

0031 0038 0032 0035 0035 0030 0036 0035 0036 0035 0033。

智能型低压断路器的无线GPRS通信模块设计，转换后的UNICODE码为：

57FA 4E8E 0047 0050 0052 0053 7684 4F4E 538B 667A 80FD 65AD 8DEF 5668 7EC8 7AEF 6A21 5757 8BBE 8BA1。发送时需将转换成的UNICODE码去掉空格。

4 无线GPRS通信测试

实验测试系统由MSP430开发板和GPRS通信模块组成。将测试程序烧录到MSP430并通过串口连接GPRS通信模块。通过手机短信的通信方式向GPRS模块上的SIM卡发送短信(卡号为18225791862)，查询和控制断路器分闸与合闸的运行情况以及相关参数。测试结果表明采用GPRS通信方式可以远程、快速、准确的控制并查询智能型低压断路器的运行状态参数。

5 结论

综上所述，本文基于SIM900无线GPRS模块设计了智能型断路器运行数据的远程通信单元，由现场通信模块采集的数据经过微控制器的处理，将信息传送至GPRS通信模块，然后经由通信模块送出数据至监控中心或用户手机，供管理人员查看及作出相应的处理，从而实现断路器运行数据、故障信号以及状态指示的检测和控制。若管理人员需要控制断路器进行相应的动作，只需通过监控中心或用户手机发出命令，经由GPRS网络传送至智能型断路器的GPRS无线通信模块，由微控制器进行相应的动作管理，从而实现断路器的远程无线遥控。将GPRS无线通信模块应用于一台1.14 kV、500 A的智能型断路器，实验结果表明，这种具有无线远程GPRS通信功能的智能断路器可提供全透明数据传输，用户无需关注复杂的网络协议，使用串行通信接口就可以进行无线数据收发，现场设备能够随时通过GPRS网络接入Internet连接公网上的监控主站或通过手机短信进行数据传输。