基于GSM公網(wǎng)的PLC遠(yuǎn)程通信的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

引言

PLC作為一種高性能的控制裝置，在分布式系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在這種控制系統(tǒng)中，PLC可以多種方式，如直接采用現(xiàn)有的組態(tài)監(jiān)控軟件與上位機(jī)通信，但針對小規(guī)模的控制系統(tǒng)，找到一種高性能價格比的通信方法，具有積極的實(shí)際意義。本文就日本三菱公司生產(chǎn)的FX2可編程控制器與監(jiān)控中心通信方式的實(shí)現(xiàn)，從軟、硬件兩個方面來說明這個問題。隨著GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和用戶的日益擴(kuò)大，新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的開發(fā)和應(yīng)用就已提到十分重要的位置。短消息服務(wù)業(yè)務(wù)作為ＧＳＭ網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運(yùn)營商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。

以往，在無人值守的現(xiàn)場出現(xiàn)問題后，維修人員不可能訊速趕到現(xiàn)場排除故障，造成許多不必要的損失，所以作者設(shè)計了該采集與監(jiān)控系統(tǒng)，將告警信息通過手機(jī)短消息的方式，發(fā)送到集中監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控、遙測、遙調(diào)、遙訊。

1． 系統(tǒng)的工作原理及組成

該系統(tǒng)主要是由兩部分組成：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端；集中監(jiān)控中心。通信方式采用手機(jī)短消息方式，通信設(shè)備采用手機(jī)模塊TC35，手機(jī)終端TC35T。TC35具有的功能：有語音、數(shù)據(jù)、短消息、FAX四種傳輸方式；工作在GSM900MHz和1800MHz頻帶范圍內(nèi)；工作電源3.3V---5.5V；波特率為300bps-115kbps,在1200bps-115kbps為自動波特率設(shè)置；數(shù)據(jù)傳送采用AT命令集；SMS具有TEXT和PDU圖形模式；P-P數(shù)據(jù)通訊速率是2400、4800、9600、14400bps。TC35T是將TC35做到工業(yè)手機(jī)中，對外提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口和電源接口。將計算機(jī)的串行口與TC35T的串行口用電纜直接連接，并在計算機(jī)上添加標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器就可以使用了。TC35T使用AT命令集工作。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示：

集中監(jiān)控中心通過通道1發(fā)送命令，首先通過TC35T發(fā)送設(shè)置命令，初始化數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端，設(shè)置需要采集的模擬量和開關(guān)量，設(shè)置系統(tǒng)的密碼，設(shè)置維修人員的手機(jī)號碼；然后發(fā)送采集命令，采集各種數(shù)據(jù)量。采集完數(shù)據(jù)量后，經(jīng)PLC的處理，通過通道2以短消息的方式發(fā)送到集中監(jiān)控中心，中心將數(shù)據(jù)整理存入數(shù)據(jù)庫中。如果數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端出現(xiàn)了故障，直接通過TC35模塊發(fā)送故障信息到維修人員手機(jī)上，同時監(jiān)控中心接收發(fā)自數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端的告警信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，如判定告警地點(diǎn)、告警類型及相應(yīng)的原因、及時通知值班和相關(guān)維護(hù)管理人員、對告警信息進(jìn)行統(tǒng)計和分析、設(shè)置告警監(jiān)控模塊配置信息等。當(dāng)故障排除后，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端同樣發(fā)送短消息到監(jiān)控中心，通知中心故障排除，可以正常采集數(shù)據(jù)了。當(dāng)然每個數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控終端都對應(yīng)由維修人員。

短消息服務(wù)業(yè)務(wù)（Short Message Service）是GSM系統(tǒng)提供給用戶的一種數(shù)字業(yè)務(wù)，它與話音傳輸及傳真一樣同為GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)，SMS的收發(fā)占用的是GSM網(wǎng)絡(luò)的信令信道，不會占用普通話音信道，而且它是雙向通信，具有一定的交互能力。而且SMS具有較高的可靠性，短消息發(fā)送端的用戶可知道短消息是否已經(jīng)到達(dá)接收端，由于短消息依靠了SMSC短消息服務(wù)中心的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)接收端用戶關(guān)機(jī)或不在服務(wù)區(qū)內(nèi)時，SMSC會暫時保存該短消息，接收端用戶如果在規(guī)定時間（通常為24小時）內(nèi)重新處于工作狀態(tài)，SMSC會立刻發(fā)送短消息給接收端用戶，當(dāng)發(fā)送成功時會返回發(fā)送端用戶一個確認(rèn)信號。SMS充分利用了GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣的特點(diǎn)和全程全網(wǎng)的優(yōu)勢，具有極佳的移動性，使得任何一個申請了短消息服務(wù)的GSM無線終端用戶在全網(wǎng)范圍內(nèi)獲得服務(wù)。每個短消息的信息量限制為140個八位組（7比特編碼）140個英文字符或70個中文字符。如果超過此長度，則要分多次發(fā)送。

2． 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路包括：監(jiān)控終端硬件設(shè)計；集中監(jiān)控中心。

監(jiān)控終端硬件包括：數(shù)據(jù)采集部分；TC35接口電路；溫度傳感器電路；遙調(diào)電路。

集中監(jiān)控中心硬件包括：上位機(jī)；TC35T手機(jī)終端。

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

數(shù)據(jù)的采集分為：模擬量的采集和開關(guān)量的采集。

模擬量主要采集各種工業(yè)儀表的數(shù)據(jù)，如壓力、流量、溫度、濕度、電壓、電流等。

開關(guān)量的檢測，分別為：220V交流電壓檢測，門禁檢測。

電路原理框圖如圖2所示。

2.2遙調(diào)電路設(shè)計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程自動調(diào)節(jié)各種現(xiàn)場的參數(shù)。作者設(shè)計了遙調(diào)電路。采用固態(tài)非易失性數(shù)字電位器X9313。電路圖如圖3所示。數(shù)字電位器是一種特殊的DAC，它的模擬量輸出不是電壓或電流，而是電阻。滑動單元的位置是由CS、U/D、INC三個輸入端控制。當(dāng)CS為高，INC為高時，滑動端的位置可以被儲存在一個非易失性存儲器內(nèi)，因此在下一次上電工作時可以被重新調(diào)用。當(dāng)電位器的滑動端移到某一新位置時，而保持INC為低，CS為高時，此位置不存儲。VH、VL、VW相當(dāng)于一般電位器的三個端。

圖3　遙調(diào)電路

2.3溫度傳感器電路設(shè)計

為了實(shí)時監(jiān)視數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端的溫度變化，當(dāng)溫度超過上限值時啟動排風(fēng)裝置。當(dāng)溫度低過下限值時啟動加溫裝置，作者設(shè)計了溫度傳感器電路。由于采集的溫度范圍屬于常溫范圍，所以采用晶體管傳感器LM335。它的輸出電壓與熱力學(xué)溫度成正比，靈敏度10mv/c。輸出后的電壓經(jīng)過LM358放大器的放大后送A/D轉(zhuǎn)換器。電路圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器電路

2.4 TC35接口電路設(shè)計

TC35模塊主要是由射頻天線、內(nèi)部FLASH、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIP插座組成。TC35接口電路設(shè)計主要是40針的電纜與單片機(jī)的接口。如圖所示5。1~5腳提供3.3~5.5V峰值2A的直流電源；6~10接地；15腳為點(diǎn)火信號，接到單片機(jī)的P1.7，可以通過軟件啟動模塊。16腳~23腳是RS232串口的功能引腳，18腳、19腳分別為發(fā)送RXD和接收TXD引腳。24腳~29腳對應(yīng)的是SIM卡的引腳。32腳為指示燈引腳，當(dāng)未插入SIM卡或40腳的電纜沒有接好或者模塊正在入網(wǎng)時，指示燈處于閃亮狀態(tài)，亮600ms 滅600ms；當(dāng)模塊登錄網(wǎng)絡(luò)時，指示燈亮75ms滅3s。

2.5 電平轉(zhuǎn)換器設(shè)計

FX2系列PLC的編程接口采用RS-422標(biāo)準(zhǔn)，而計算機(jī)的串行口采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)。因此，作為實(shí)現(xiàn)PLC計算機(jī)通信的接口電路，必須將RS-422標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成RS-232標(biāo)準(zhǔn)。RS-232與RS-422標(biāo)準(zhǔn)在信號的傳送、邏輯電平均不相同。RS-232采用單端接收器和單端發(fā)送器，只用一根信號線來傳送信息，并且根據(jù)該信號線上電平相對于公共的信號地電平的大小來決定邏輯的“1”。RS-422標(biāo)準(zhǔn)是一種以平衡方式傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，即雙端發(fā)送和雙端接收，根據(jù)兩條傳輸線之間的電位差值來決定邏輯狀態(tài)。RS-422電路由發(fā)送器、平衡連接電纜、電纜終端負(fù)載和接收器組成。它通過平衡發(fā)送器和差動接收器將邏輯電平和電位差之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。作者選用MAXIM公司的MAX232實(shí)現(xiàn)RS-232與TTL之間的電平轉(zhuǎn)換。MAX232內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，僅需+5V電源就可工作，使用十分方便；選用MAX485實(shí)現(xiàn)RS-485與TTL之間的轉(zhuǎn)換。每片MAX485有一對發(fā)送器/接收器，由于通信采用全雙工方式，故需兩片MAX485，另外只需外接4只電容即可。

圖5 TC35接口電路

3．軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括：下位機(jī)軟件設(shè)計；上位機(jī)軟件設(shè)計；下位機(jī)與上位機(jī)通信軟件設(shè)計。

3.1短消息PDU格式分析及實(shí)用的AT命令

發(fā)送和接收SMS信息有兩種方式：基于AT命令的Text Mode（文本模式）和基于AT命令的PDU(protocol description unit) Mode模式。西門子的手機(jī)大多只支持PDU模式，在PDU模式下短信息正文經(jīng)過編碼后轉(zhuǎn)換成UNICODE碼被傳送。由于我們采用的是西門子的TC35手機(jī)模塊和TC35T手機(jī)終端，所以本文主要探討PDU模式的發(fā)送和接收。

下面通過對發(fā)送的短消息格式分析，來介紹SMS PDU的數(shù)據(jù)格式。假設(shè)準(zhǔn)備發(fā)送中文短消息內(nèi)容為“晚上好123”。首先，將TC35T與計算機(jī)的串口相連，并打開計算機(jī)的超級終端：

3.1.1發(fā)送短消息的具體操作過程如下(帶下劃線字符為響應(yīng)信息，{}內(nèi)為注釋)：

AT

OK {計算機(jī)與手機(jī)的連接成功，這時就可以輸入各類GSM AT指令了}

AT+CNMI=1，1，2

OK {設(shè)置收到短消息提示}

當(dāng)模塊收到短消息時，給出回應(yīng)：

例如：+CMTI：“SM”，4

AT+CMGF=0

OK {設(shè)置模塊工作的模式：0為PDU模式，1為文本模式}

AT+CMGS=26{發(fā)送短消息的字節(jié)數(shù)}

>0891 683108200905F0 0103 0D91 683199312523F9 3208 0C 65A4E0A597D003100320033//

鍵入Ctrl+Z，看到提示符->出現(xiàn)在最后一個數(shù)字后面，說明系統(tǒng)已經(jīng)收到了命令。系統(tǒng)會返回操作的結(jié)果。

OK {OK表示成功，ERROR表示發(fā)送失敗}

+CMGS：32

下面分析這條信息：

08：表示短消息中心地址長度

91：表示短消息中心號碼類型

683108200905F0：表示短消息房屋中心號碼

0103：表示發(fā)送短消息的編碼方式

0D：表示目的地址長度

91：表示目的地址類型

683199312523F9：表示目的地址，即接收短消息的手機(jī)號碼為：13991352329

3208：表示發(fā)送中文字符方式

0C：表示短消息長度

665A4E0A597D003100320033：表示發(fā)送中文字符的UNICODE碼

665A {晚} 4E0A{上} 597D{好} 0031{1} 0032{2} 0033{ 3}

3.1.2模塊接收短消息的分析：

AT+CMGR={閱讀短消息的內(nèi)容，Index 表示短消息存放的位置}

AT＋CMGL= {列表短信息：stat =0，列未讀過的短消息；stat =4，列所有的短消息}

＋CMGL: 1,2,,24 {1表示信息個數(shù)，2表示未發(fā)信息，24表示信息總?cè)萘縸

AT+CMGD={刪除短消息，Index 表示短消息存放的位置}

OK {刪除成功}

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

包括：數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換程序；越限報警程序。

3.3上位機(jī)軟件設(shè)計

包括：監(jiān)控中心主界面設(shè)計；數(shù)據(jù)庫程序設(shè)計。

3.4下位機(jī)與上位機(jī)通信軟件設(shè)計

因?yàn)橄挛粰C(jī)與上位機(jī)通信是通過短消息來完成的，所以通信軟件設(shè)計的關(guān)鍵是單片機(jī)如何發(fā)送AT命令。

4．結(jié)束語

本文采用短消息業(yè)務(wù)完成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端與控制中心的通信。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端的遙控，遠(yuǎn)程控制電源的通斷；遙測，遠(yuǎn)程測量各種開關(guān)量；遙調(diào)，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)各種增益；遙訊，遠(yuǎn)程查詢采集各種模擬量。短消息業(yè)務(wù)具有永遠(yuǎn)在線、不需撥號、價格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，特別適用于需頻繁傳送小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，還適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、架設(shè)通信線路困難的地方。對于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測終端來說，它一般放在無人值守地區(qū)，應(yīng)用短消息業(yè)務(wù)來傳送數(shù)據(jù)最為合適。作者設(shè)計的該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)投入運(yùn)行，實(shí)踐證明了該系統(tǒng)工作非常的可靠。