基于GSM公网的PLC远程通信的设计与实现

       引言

      PLC作为一种高性能的控制装置，在分布式系统中得到了越来越广泛的应用。在这种控制系统中，PLC可以多种方式，如直接采用现有的组态监控软件与上位机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性能价格比的通信方法，具有积极的实际意义。本文就日本三菱公司生产的FX2可编程控制器与监控中心通信方式的实现，从软、硬件两个方面来说明这个问题。随着GSM移动通信网络的迅速发展和用户的日益扩大，新技术和新业务的开发和应用就已提到十分重要的位置。短消息服务业务作为ＧＳＭ网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。
      以往，在无人值守的现场出现问题后，维修人员不可能讯速赶到现场排除故障，造成许多不必要的损失，所以作者设计了该采集与监控系统，将告警信息通过手机短消息的方式，发送到集中监控中心，从而实现了远程遥控、遥测、遥调、遥讯。

      1． 系统的工作原理及组成

      该系统主要是由两部分组成：数据采集与监控终端；集中监控中心。通信方式采用手机短消息方式，通信设备采用手机模块TC35，手机终端TC35T。TC35具有的功能：有语音、数据、短消息、FAX四种传输方式；工作在GSM900MHz和1800MHz频带范围内；工作电源3.3V---5.5V；波特率为300bps-115kbps,在1200bps-115kbps为自动波特率设置；数据传送采用AT命令集；SMS具有TEXT和PDU图形模式；P-P数据通讯速率是2400、4800、9600、14400bps。TC35T是将TC35做到工业手机中，对外提供标准的RS232接口和电源接口。将计算机的串行口与TC35T的串行口用电缆直接连接，并在计算机上添加标准的调制解调器就可以使用了。TC35T使用AT命令集工作。系统的原理框图如图1所示：

      集中监控中心通过通道1发送命令，首先通过TC35T发送设置命令，初始化数据采集与监控终端，设置需要采集的模拟量和开关量，设置系统的密码，设置维修人员的手机号码；然后发送采集命令，采集各种数据量。采集完数据量后，经PLC的处理，通过通道2以短消息的方式发送到集中监控中心，中心将数据整理存入数据库中。如果数据采集与监控终端出现了故障，直接通过TC35模块发送故障信息到维修人员手机上，同时监控中心接收发自数据采集与监控终端的告警信息，并进行相应的处理，如判定告警地点、告警类型及相应的原因、及时通知值班和相关维护管理人员、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。当故障排除后，数据采集与监控终端同样发送短消息到监控中心，通知中心故障排除，可以正常采集数据了。当然每个数据采集与监控终端都对应由维修人员。
      短消息服务业务（Short Message Service）是GSM系统提供给用户的一种数字业务，它与话音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，SMS的收发占用的是GSM网络的信令信道，不会占用普通话音信道，而且它是双向通信，具有一定的交互能力。而且SMS具有较高的可靠性，短消息发送端的用户可知道短消息是否已经到达接收端，由于短消息依靠了SMSC短消息服务中心的存储和转发机制，当接收端用户关机或不在服务区内时，SMSC会暂时保存该短消息，接收端用户如果在规定时间（通常为24小时）内重新处于工作状态，SMSC会立刻发送短消息给接收端用户，当发送成功时会返回发送端用户一个确认信号。SMS充分利用了GSM网络覆盖广的特点和全程全网的优势，具有极佳的移动性，使得任何一个申请了短消息服务的GSM无线终端用户在全网范围内获得服务。每个短消息的信息量限制为140个八位组（7比特编码）140个英文字符或70个中文字符。如果超过此长度，则要分多次发送。

      2． 硬件电路设计

      系统的硬件电路包括：监控终端硬件设计；集中监控中心。
       监控终端硬件包括：数据采集部分；TC35接口电路；温度传感器电路；遥调电路。
      集中监控中心硬件包括：上位机；TC35T手机终端。

      2.1 数据采集部分

      数据的采集分为：模拟量的采集和开关量的采集。
      模拟量主要采集各种工业仪表的数据，如压力、流量、温度、湿度、电压、电流等。
      开关量的检测，分别为：220V交流电压检测，门禁检测。
      电路原理框图如图2所示。
      


2.2遥调电路设计

      为了能够实现远程自动调节各种现场的参数。作者设计了遥调电路。采用固态非易失性数字电位器X9313。电路图如图3所示。数字电位器是一种特殊的DAC，它的模拟量输出不是电压或电流，而是电阻。滑动单元的位置是由CS、U/D、INC三个输入端控制。当CS为高，INC为高时，滑动端的位置可以被储存在一个非易失性存储器内，因此在下一次上电工作时可以被重新调用。当电位器的滑动端移到某一新位置时，而保持INC为低，CS为高时，此位置不存储。VH、VL、VW相当于一般电位器的三个端。   
      
                      图3　遥调电路     


        2.3温度传感器电路设计

      为了实时监视数据采集与监测终端的温度变化，当温度超过上限值时启动排风装置。当温度低过下限值时启动加温装置，作者设计了温度传感器电路。由于采集的温度范围属于常温范围，所以采用晶体管传感器LM335。它的输出电压与热力学温度成正比，灵敏度10mv/c。输出后的电压经过LM358放大器的放大后送A/D转换器。电路图如图4所示。
     
                              图4 温度传感器电路  

      2.4 TC35接口电路设计

      TC35模块主要是由射频天线、内部FLASH、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIP插座组成。TC35接口电路设计主要是40针的电缆与单片机的接口。如图所示5。1~5脚提供3.3~5.5V峰值2A的直流电源；6~10接地；15脚为点火信号，接到单片机的P1.7，可以通过软件启动模块。16脚~23脚是RS232串口的功能引脚，18脚、19脚分别为发送RXD和接收TXD引脚。24脚~29脚对应的是SIM卡的引脚。32脚为指示灯引脚，当未插入SIM卡或40脚的电缆没有接好或者模块正在入网时，指示灯处于闪亮状态，亮600ms 灭600ms；当模块登录网络时，指示灯亮75ms灭3s。

      2.5 电平转换器设计

      FX2系列PLC的编程接口采用RS-422标准，而计算机的串行口采用RS-232标准。因此，作为实现PLC计算机通信的接口电路，必须将RS-422标准转换成RS-232标准。RS-232与RS-422标准在信号的传送、逻辑电平均不相同。RS-232采用单端接收器和单端发送器，只用一根信号线来传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“1”。RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准，即双端发送和双端接收，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器和差动接收器将逻辑电平和电位差之间进行转换。作者选用MAXIM公司的MAX232实现RS-232与TTL之间的电平转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源就可工作，使用十分方便；选用MAX485实现RS-485与TTL之间的转换。每片MAX485有一对发送器/接收器，由于通信采用全双工方式，故需两片MAX485，另外只需外接4只电容即可。
         
                           图5 TC35接口电路  

      3．软件设计

     系统的软件设计包括：下位机软件设计；上位机软件设计；下位机与上位机通信软件设计。

     3.1短消息PDU格式分析及实用的AT命令

     发送和接收SMS信息有两种方式：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。西门子的手机大多只支持PDU模式，在PDU模式下短信息正文经过编码后转换成UNICODE码被传送。由于我们采用的是西门子的TC35手机模块和TC35T手机终端，所以本文主要探讨PDU模式的发送和接收。
     下面通过对发送的短消息格式分析，来介绍SMS PDU的数据格式。假设准备发送中文短消息内容为“晚上好123”。首先，将TC35T与计算机的串口相连，并打开计算机的超级终端：
     3.1.1发送短消息的具体操作过程如下(带下划线字符为响应信息，{}内为注释)：
     AT
     OK {计算机与手机的连接成功，这时就可以输入各类GSM AT指令了}
     AT+CNMI=1，1，2
     OK {设置收到短消息提示}
     当模块收到短消息时，给出回应：
     例如：+CMTI：“SM”，4
      AT+CMGF=0
      OK {设置模块工作的模式：0为PDU模式，1为文本模式}
      AT+CMGS=26{发送短消息的字节数}
     >0891 683108200905F0 0103 0D91 683199312523F9 3208 0C 65A4E0A597D003100320033//
     键入Ctrl+Z，看到提示符->出现在最后一个数字后面，说明系统已经收到了命令。系统会返回操作的结果。  
      OK {OK表示成功，ERROR表示发送失败}
     +CMGS：32
     下面分析这条信息：
     08：表示短消息中心地址长度
     91：表示短消息中心号码类型
     683108200905F0：表示短消息房屋中心号码
     0103：表示发送短消息的编码方式
     0D：表示目的地址长度
     91：表示目的地址类型
     683199312523F9：表示目的地址，即接收短消息的手机号码为：13991352329
     3208：表示发送中文字符方式
     0C：表示短消息长度
     665A4E0A597D003100320033：表示发送中文字符的UNICODE码
     665A {晚} 4E0A{上} 597D{好} 0031{1} 0032{2} 0033{ 3}
     3.1.2模块接收短消息的分析：
     AT+CMGR={阅读短消息的内容，Index 表示短消息存放的位置}
     AT＋CMGL= {列表短信息：stat =0，列未读过的短消息；stat =4，列所有的短消息}
      ＋CMGL: 1,2,,24 {1表示信息个数，2表示未发信息，24表示信息总容量}
     AT+CMGD={删除短消息，Index 表示短消息存放的位置}
     OK {删除成功}
    3.2 下位机软件设计
     包括：数据采集及A/D转换程序；越限报警程序。
     3.3上位机软件设计
     包括：监控中心主界面设计；数据库程序设计。
     3.4下位机与上位机通信软件设计
     因为下位机与上位机通信是通过短消息来完成的，所以通信软件设计的关键是单片机如何发送AT命令。

     4．结束语

     本文采用短消息业务完成数据采集与监测终端与控制中心的通信。实现了数据采集与监测终端的遥控，远程控制电源的通断；遥测，远程测量各种开关量；遥调，远程调节各种增益；遥讯，远程查询采集各种模拟量。短消息业务具有永远在线、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势，特别适用于需频繁传送小数据量的应用，还适用于偏远地区、架设通信线路困难的地方。对于数据采集与监测终端来说，它一般放在无人值守地区，应用短消息业务来传送数据最为合适。作者设计的该系统现在已经投入运行，实践证明了该系统工作非常的可靠。

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