【正文】 data monitoring center to receive, control and puter interface, munication and other related technical realization, the paper made the software implementation of a prehensive description, summary of the practicability of the system under study, and were made on the improvement and expansion of research. Key words： Remote monitoring。 論文主要由緒論、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、 TC35 模塊的外圍電路設(shè)計(jì)及短消息的實(shí)現(xiàn)、 電機(jī)（泵機(jī)）采集轉(zhuǎn)速模塊的設(shè)計(jì) 、 電機(jī)電壓和電流的采集模塊的電路設(shè)計(jì) 、 而且增加了PID 調(diào)控電機(jī) 速度 的功能， 整體系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)及軟件編程的設(shè)計(jì) 六 部分內(nèi)容組成。 基于將最新通訊技術(shù)融合到傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的考慮，綜合計(jì)算機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)通訊、自動(dòng)化控制等技術(shù)，作者成功實(shí)現(xiàn)了以 GSM 短信息平臺(tái)作為一種數(shù)據(jù)傳輸通道，可不定時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有用戶投資小、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用少的 優(yōu)點(diǎn)。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 基于 GSM 的遠(yuǎn)程泵站畢業(yè)設(shè)計(jì) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 摘 要 我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展已經(jīng)步入一個(gè)高速增長(zhǎng)的時(shí)期，短信息作為 GSM 系統(tǒng)中最為簡(jiǎn)單和方便的數(shù)據(jù)通信方式，其業(yè)務(wù)和應(yīng)用正得到 非常迅猛的發(fā)展。利用現(xiàn)有的 GSM網(wǎng)絡(luò)短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，應(yīng)用到 遠(yuǎn)程電機(jī)（泵機(jī)）監(jiān)控， 有分布范圍廣、可不定時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的特點(diǎn)。對(duì)于解決監(jiān)控采集點(diǎn)、實(shí)時(shí)性要求較低的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集任務(wù)，本系統(tǒng)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。 本人 設(shè)計(jì)出一個(gè)基于短消息的無(wú)線傳輸與采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將短信模塊與單片機(jī)結(jié)合，完成了遠(yuǎn)端單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、通訊、監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收、控制與計(jì)算機(jī)接口通訊等相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，論文對(duì)模塊的軟件實(shí)現(xiàn)作了全面的描 述，總結(jié)了所研究系統(tǒng)的實(shí)用性，并提出了對(duì)之進(jìn)行完善與擴(kuò)充的研究方向。 Unattended pumping station。 Short message。由于硬件上操作簡(jiǎn)單，功能上易于擴(kuò)展，這幾年來(lái)，它不僅沒(méi)被取代，反而成為計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器或其它媒體相連的管道，使計(jì)算機(jī)可以與更外圍的設(shè)備溝通，從而造就高速的信息流時(shí)代。這種方法往往成本較高而且并不方便。尤其是剛開(kāi)通不久的短消息業(yè)務(wù)，一問(wèn)世就因其低廉的價(jià)格。因此，將計(jì)算機(jī)串口通信同短消息業(yè)務(wù)相結(jié)合，利用 GMS 公用網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)端監(jiān)控已成為數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的一個(gè)新的熱點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從機(jī)與監(jiān)控中心之間的通信聯(lián)系是必不可少的。從系統(tǒng)對(duì)頻率資源的利用及系統(tǒng)組網(wǎng)方式的角度來(lái)講，監(jiān)控系統(tǒng)所用的通信方式有以下幾種：固定頻率通信方式、集群移動(dòng)通信方式和蜂窩移動(dòng)通信方式。目前蜂窩移動(dòng)通信己經(jīng)從第一代 FDMA 方式的模擬體制經(jīng)過(guò)第二代 TDMA 方式發(fā)展到第三代 CDMA 方式的數(shù)字體制。 GSM 蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)集中了現(xiàn)代信源編碼技術(shù)，信道編碼、交織、均衡技術(shù)，數(shù)字調(diào)制技術(shù)、話音編碼技術(shù)以及慢跳頻技術(shù)，同時(shí)在系統(tǒng)中引入了大量的計(jì)算機(jī)控制管理。鑒于 GSM 蜂窩網(wǎng)的上述優(yōu)點(diǎn)，以及短消息服務(wù)的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，故非常適于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。 GSM 系統(tǒng)集中了現(xiàn)代信源編碼技術(shù)、信道編碼、交織、均衡技術(shù)、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、話音編碼技術(shù)以及慢調(diào)頻 技術(shù)，同時(shí)在系統(tǒng)中引入了大量計(jì)算機(jī)控制和管理，因而保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、安全性和可靠性。 GSM 短消息業(yè)務(wù)分為兩種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息和短消息小區(qū)廣播業(yè)務(wù)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)能夠使 GSM 網(wǎng)絡(luò)的用戶可以接收或發(fā)送有限長(zhǎng)度 (不超過(guò) 140 個(gè)字節(jié) )的數(shù)字或文字信息，短消息的收發(fā)不影響通話。并且，如果傳送失敗，被叫方?jīng)]有回答確切消息。短消息的收發(fā)不影響通話，而且通信費(fèi)用最低。 GSM 模塊是繼 GMS 手機(jī)外又一種非常重要的 GMS 移動(dòng)通信系統(tǒng)的終端設(shè)備。它的出現(xiàn)給GsM 的發(fā)展注入了新的活力，改變了傳統(tǒng)的以話音 為主的通信手段，打開(kāi)了 GSM 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信及其應(yīng)用的大門(mén)。由于調(diào)制解調(diào)器必須通過(guò) PSTN 或其他專用通信網(wǎng)進(jìn)行通信，因而受地域、線路等影響，在應(yīng)用上有很大的局限性。 因此，近年來(lái)基于公共網(wǎng)絡(luò)的通訊手段在工業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控中得到初步應(yīng)用 ，這些遠(yuǎn)程通訊手段包括公共電話網(wǎng)、 Inter 網(wǎng)絡(luò)等。但在一些場(chǎng)合下，如無(wú)人值守變電站、熱電廠的小區(qū)熱表、農(nóng)網(wǎng)中的一些運(yùn)動(dòng)開(kāi)關(guān)等，應(yīng)用上述的有線通信方式是很不經(jīng)濟(jì)的。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 43 頁(yè) 本課題的主要內(nèi)容 本文是建立在實(shí)際的調(diào)查研究基礎(chǔ)之上，首先收集并分析相關(guān)技術(shù)資料，綜合考慮通信技術(shù)發(fā)展、遠(yuǎn)程 泵站控制終端系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出綜述性技術(shù)解決方案，為系統(tǒng)研發(fā)做好必要的準(zhǔn)備工作。 本課題的研究意義 隨著 GSM 移動(dòng)電話業(yè)務(wù)在中國(guó)蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)。 GSM 短消息系統(tǒng)以其快捷方便而且廉價(jià)的特點(diǎn)擁有廣泛的用戶。 遠(yuǎn)程 泵機(jī) 設(shè)備在 運(yùn)行中轉(zhuǎn)速、工作電流、工作電壓的監(jiān)控尤為重要 ， 如果工作異常要求工作人員采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行矯正。如果數(shù)據(jù)的傳輸部分加裝 GSM 短信息模塊，便可以解決困擾整個(gè)設(shè)備要求的實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。利用GSM 公用網(wǎng)組成的傳輸系統(tǒng)，在系統(tǒng)可靠性、抗干憂性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性、功能擴(kuò)展性等方面均具備明顯的優(yōu)越性，并可降低運(yùn)營(yíng)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。硬件設(shè)計(jì)主要包括硬件選型和電氣設(shè)計(jì)。因此在對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮系統(tǒng)的完整性，否則在安裝和使用時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，并帶來(lái)許多不必要的麻煩。 2．可靠性原則 可靠性原則考慮的是設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)能否可靠地工作，即系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。對(duì)計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)論其在原理上如何先進(jìn)、功能如何全面、精度如何高級(jí)，但如果可靠性差，故障頻繁，不能長(zhǎng)期可靠的正常運(yùn)行， 則該系統(tǒng)就沒(méi)有使用價(jià)值。 3．發(fā)展性原則 發(fā)展性原則有兩個(gè)重要內(nèi)涵：一個(gè)就是留有發(fā)展余地，在作系統(tǒng)配置時(shí)，要考慮系統(tǒng)的規(guī)模增大了怎么辦 ?第二個(gè)就是要選擇技術(shù)壽命長(zhǎng)，維修及部件的補(bǔ)充比較方便的系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)是專用的控制設(shè)備，決定系統(tǒng)造價(jià)的主要是研制成本，所以盡可能選用成熟的控制方法和設(shè)備，降低研制成本。 6．操作維護(hù)方便 在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到操作維護(hù)方便，使系統(tǒng)易學(xué)易用，降低對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)要求，努力做到使用戶無(wú)須專門(mén)的訓(xùn)練，就能很快地掌握本系統(tǒng)的使用方法。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 從總體構(gòu)成來(lái)講， 此項(xiàng)目 是一個(gè)一對(duì)多雙工通信系統(tǒng)，即多 個(gè)分布于遠(yuǎn)距離的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)點(diǎn)的下位機(jī)與單個(gè)位于中心站的上位機(jī)之間進(jìn)行通信。系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元 (下位機(jī) )和監(jiān)測(cè)中心 (上位機(jī) )組成，系統(tǒng)組成如圖 1 所示嗍。 GSM 主信道的重發(fā)次數(shù)設(shè)定為 三 次，第一次發(fā)送不成功時(shí)自動(dòng)發(fā)送第二次，直到 三次 發(fā)送都不成功時(shí)，系統(tǒng)才認(rèn)為通信失敗。如果是監(jiān)測(cè)中心 (上位機(jī) )的隨機(jī)加報(bào)和人工發(fā)報(bào)，由于加報(bào)時(shí)間沒(méi)有一定的規(guī)律性，是隨機(jī)發(fā)生的，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元 (下位機(jī) )和監(jiān)測(cè)中心 (上位機(jī) )之間沒(méi)有任何約定，當(dāng) GSM 主信道通信失敗時(shí)，監(jiān)測(cè)中心 (上位機(jī) )本身會(huì)自動(dòng)切換到 PSTN 或 DDN 備用信道發(fā)送。 本系統(tǒng)也同樣分為設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)地控制單元 (下位機(jī) )和設(shè)在控制中心的集控層 (上位機(jī) )和 GSM 通信網(wǎng)絡(luò)組成。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、傳輸、邏輯控制等功能 。 另外， STC12C2052AD 單片機(jī)通過(guò)測(cè)速模塊和其自帶的 AD 模塊來(lái)采集現(xiàn)場(chǎng)的電源監(jiān)視、電機(jī)（泵機(jī)）轉(zhuǎn)速等信息；將收集到的數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到集控層。集控層與現(xiàn)地控制單元之間通過(guò)GSM 短消息進(jìn)行通訊。而配置了計(jì)算機(jī)和 Modem 的控制中心，通過(guò)軟件編程，來(lái)收發(fā)短消息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 泵站 的控制。 遙測(cè)站是指分布于各處 的測(cè)量站點(diǎn)。每個(gè)遙測(cè)站點(diǎn)的 GSM Modem 都配有一個(gè)獨(dú)立的 SIM 卡號(hào)，以此進(jìn)行各個(gè)測(cè)量站點(diǎn)的區(qū)分。控制中心能夠通過(guò) GSM Modem 與遙測(cè)站進(jìn)行無(wú)線短消息通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，并對(duì)水位與閘門(mén)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、統(tǒng)計(jì)、分析等整編處理。 夠過(guò)對(duì)電機(jī)的控制采集電機(jī)的速度和電壓等信息，并將信息通過(guò) GSM模塊發(fā)送給 PC 機(jī)的 GSM 模塊， PC 軟件將對(duì)信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)基于 GSM 的遠(yuǎn)程電機(jī)信息采集及控制。 選取 STC12C2052AD 單片機(jī)的理由很簡(jiǎn)單，他性能強(qiáng)大， 高速、高可靠、寬電壓、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、無(wú)法解密 ，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 如 圖 23 中本系統(tǒng)應(yīng)用到的引腳 在下面小節(jié)中繼續(xù)介紹 ： 復(fù)位電路 RST 引腳上的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的位置如所示 ， 由于此單片機(jī)的復(fù)位引腳需要兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平才 能 夠?qū)崿F(xiàn)正確復(fù)位 （適當(dāng)增加周期的數(shù)量，可使復(fù)位可靠） ， 計(jì)算當(dāng)前時(shí)鐘頻率一個(gè)周期是多少時(shí)間，再乘以復(fù)位所需周期數(shù) ， 就 道當(dāng)前時(shí)鐘頻率所需復(fù)位時(shí)間，用 RC 充電公式計(jì)算所需電阻電容值即可。 顧名思義，此模塊利用把一個(gè)帶有光柵的圓形材質(zhì)固定到電機(jī)的軸上，將此圓形材質(zhì)放到槽式光電開(kāi)關(guān)的槽中，實(shí)物如 圖 26 光柵法實(shí)物形象圖例 所示，槽式光電開(kāi)關(guān)實(shí)物圖如 圖 27 槽式光電開(kāi)關(guān) ?；蚶斫鉃?計(jì)算 出 R8 上的壓降為 10v（實(shí)際達(dá)不到，可理解為 5v），即可得出 T0 為 低 電平。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，此電路比較匹配本課題的要求，即使不添加比較器。 電機(jī)控制模塊 本課題要求遠(yuǎn)程控制泵機(jī)的開(kāi)斷，并且測(cè)出泵機(jī)電壓與電流，在此設(shè)計(jì)計(jì)劃 采用的是 繼電器利用單片機(jī)對(duì)繼電器控制來(lái)進(jìn)行關(guān)斷，然而由于本課題的主要方向 是實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)傳輸，并且本課題中的泵機(jī)參數(shù)未知，所以如 中所示，利用STC12c2052ad 單片機(jī)中所帶的 ，并且能夠擴(kuò)展調(diào)速功能。 F1F U S E 1T1T R A N S 1F2F U S E 1F3F U S E 1D1D I O D EC1104Q19014ADP 0 .0A B C 圖 28 電路電機(jī)電壓峰值采集 圖 29 電流互感器基本接線圖 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 43 頁(yè) 而測(cè)電流需要加入電流互感器，根據(jù)泵站實(shí)際情況選值 ，在此附上 圖 29 電流互感器基本接線圖 。為了方便模擬出本課題的采集電壓，電流以及轉(zhuǎn)速， 我在做實(shí)物時(shí)并未用到這些設(shè)計(jì)，采用了一個(gè)從硬盤(pán)拆來(lái)的直流小電機(jī)， 電機(jī)控制模塊如 圖 210 場(chǎng)效應(yīng)管為核心的電機(jī)控制模塊 所示。 設(shè)計(jì) 出經(jīng) STC 單片機(jī) 的 PWM 引腳 與場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)合的機(jī)控制模塊， 令 PWM0 輸出為高電平，即可令電機(jī)啟動(dòng)，并保持正常工作狀態(tài)；當(dāng)接受到要求停止的指令時(shí)，經(jīng)過(guò)對(duì)指令的判斷，令 PWM0 輸出為低電平，即可令電機(jī)停止。 下面介紹 分別 一 下 PWM 和 IRF9630 場(chǎng)效 應(yīng)管 的功能： (1)PWM 的基本工作原理： 脈寬調(diào)制 (PWM:(Pulse Width Modulation)是利用 微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。只要 帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進(jìn)行編碼。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 1964 年 和 首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面。 由于 PWM 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。 PWM 控制技術(shù)大致可以為為三類，正弦 PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種 PWM 方案，多重 PWM 也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化 PWM 及隨機(jī) PWM。 在 70 年代開(kāi)始至 80 年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過(guò) 5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。 (2)場(chǎng)效應(yīng)管 的 基本 工作原理： 場(chǎng)效應(yīng)管是 根據(jù)三極管的原理開(kāi)發(fā)出的新一代放大元件，有 3 個(gè)極性，柵極， 漏極 ，源極，它的特點(diǎn)是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可以達(dá)到幾百兆歐，屬于 電壓控制型 器件。 其特點(diǎn)為 具有輸入電阻高（ 100MΩ～ 1 000MΩ）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?、熱穩(wěn)定性好等