基于SMS的水文SCADA系统设计

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，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。本水文SCADA系统如图1所示。
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，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。■

参考文献
1 Digital cellular telecommunications system (Phase 2+);Use of Data Terminal Equipment-Data Circuit Terminating;Equipment (DTE-DCE) Interface for Short Message Service (SMS) and Cell Broadcast Service (CBS) (GSM 07.05 version 7.0.1 Release 1998).
2 D15 Modem Intergration and Application Developers Guide version draft 0.53.
3 Preliminary W77L58.Winbond Electronics Corp.2001.
4 GSM03.40(Version 5.3.0 Release 1996):European digital cellular telecommunications system (Phase +2);Technical realization of the Short Message Service Point to Point.
5 韩斌杰.GSM原理及其网络优化.机械工业出版社,2001.
6 W77E58 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/W77E58_705272.html.
7  TLC0832 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TLC0832_1095357.html.
8 DS18B20 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20_819975.html.
9  PCF8583 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCF8583_318661.html.
10 GRAY datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GRAY_2529394.html.