基于MC37i的电源无线监测器

摘要：为了实现对某野外测量设备不间断电源的无线监测，基于GSM模块MC37i研制了一种电源远程无线监测器，在软件中设计了独特的“虚拟沙漏”，以有效地判断电源异常事件的发生。试验表明，电源监测器能够对该设备不间断电源进行可靠的远程无线监测。
关键词：不间断电源；无线监测；GSM模块；虚拟沙漏

0 引言
GSM(Global System of Mobile Communication，全球移动通信系统)是目前全球最成熟的数字移动通信标准，它具有保密性和抗干扰性强、容量大、频率资源利用率高、接口开放、功能强大等优点。我国目前已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式。GSM无线网络特别适合于小数据量的实时传输，如在某些行业上的应用：遥测、遥感、遥控、气象、水文系统收集数据、电网实时监控和维护等等。GSM模块或GPRS模块已经成为无线数据传输的一种重要选择，具有十分广泛的应用前景。
本文利用GSM模块MC37i配合微控制器C8051F020开发了一种电源无线监测器，对某野外测量设备不间断电源进行远程无线监测。

1 硬件设计
某野外测量设备需要不间断供电，该设备不间断供电电源主要由逆变器、蓄电池和直流稳压电源三部分组成，如图1所示。

需要对不间断电源的输入交流电和输出直流电两个节点(如图1所示)的状态进行监测，以便及时发现并排除故障，保证设备正常供电。
1．1 总体结构
监测器硬件组成原理如图2所示。

交流电信号和直流电两路信号通过接口进入监测器，通过信号采集电路转换为低压模拟信号与微控制器模／数转换模拟开关连接；微控制器通过串口1与GSM模块进行通信，收发短信息；微控制器通过串口2与上位计算机进行通信，使用串口助手或超级终端等串口软件可以对监测器进行控制和参数设置；存储器芯片通过I2C接口与微控制器进行通信，监测器参数存储于存储芯片内，可以通过手机或串口对监测器参数进行查看和设置。
1．2 电源电路
监测器利用第一路信号交流电(如图2所示)作为工作电源。通过益弘泰开关电源模块YAS2．5-12将交流电转换为低压直流电为监测器供电。监测器使用锂电池组作为备用电源，外接交流电时可以为锂电池组充电，当失去交流电时，锂电池将为监测器供电，确保将报警短信发送到工作人员手机。锂电池组电压为7．4V，容量1 500mAh，监测器在只利用锂电池组供电的情况下可以连续工作10h。
1．3 信号采集电路
第一路输入不间断电源的交流电通过电流互感器TVA1421转换为小电流交流电，再经过桥式整流、π型滤波处理和取样电阻得到纹波低于0．1 V的与交流电压值成比例关系的直流低电压信号，如图3所示，输入微控制器进行模／数转换；第二路直流稳压电源输出的直流电经过电压和电流采样后从监测器输出，为测量设备供电，采栏得到的两路模拟信号经过放大后输入微控制器进行模／数转换。

1．4 微控制器
监测器采用微控制器C8051F020作为计算和控制的核心。微控制器C8051F020集成了12 b模／数转换器，转换速率为100KSPS，带有8通道模拟多路开关，利用其中3路对由信号采集电路得到的3路模拟低压信号进行模／数转换；C8051F020有两个UART串行接口，利用串口1与GSM模块通信，串口2与上位计算机通信(如图2所示)；C8051F020通过I2C接口与存储芯片AT24C02连接，AT24C02用于存储监测器配置参数。

1．5 GSM模块电路
选用西门子工业级GPRS模块MC37i作为无线通信模块，MC37i通过50脚板到板连接器与外界建立通信接口。MC37i模块外围电路如图4所示。

在上电后MC37i为关闭状态，C8051F020微控制器控制引脚拉低至少100ms即可开启MC37i模块；C8051F020微控制器通过串口1向MC37i发送关机指令“AT＾SMSO”可以关闭MC37i模块，如果MC37i不能正常关闭，还可以通过控制其引脚拉低至少10 ms将其强制关机。

2 软件设计
在Silicon Laboratories IDE程序开发环境下使用C51语言完成微控制器C8051F020控制程序的开发，控制程序流程如图5所示。

程序运行首先进行初始化工作，包括程序初始化和MC37i模块初始化。程序初始化主要进行时钟、接口、中断、A／D转换等配置，从E2P ROM存储器内读取配置参数，如工作人员手机号码、信号阈值等；MC37i初始化主要进行短信设置，检测SIM卡，清理SIM卡内存等。初始化MC 37i时设置其收发短信采用Text模式。MC37i模块发送短信的模式有三种：Block模式、Text模式和PDU模式，Text模式收发纯文本短消息，原理简单，所以选择Text模式进行短消息的发送。
初始化完成之后进入循环工作状态。在一个工作循环中依次完成以下几步工作：A／D转换、信号值计算和判断、检查串口1是否收到字符串、检查串口2是否收到字符串。
通过模拟多路开关依次选择交流电压模拟信号、直流电压模拟信号、直流电流模拟信号进行12 b的A／D转换，A／D转换速率为100 Hz，对A／D转换结果进行窗口滑动平均处理。
对A／D转换结果进行计算，得到交流电压值、直流电压值和直流电流值，判断是否在正常值范围内。程序没计了一种“虚拟沙漏”，以判断某一异常事件的发生。该“沙漏”分蓝色半区和红色半区，程序初始化时蓝色区赋值N，象征沙粒数量，红色区赋值0，代表空。以交流电断电事件为例，此事件对应一个“交流电断电虚拟沙漏”，程序在每一个工作循环检测交流电压，当交流电压低于设定值时，“交流电断电虚拟沙漏”倒置开始计时，蓝色区数值“漏”向红色区，当交流电压高于设定值则相反；当红色区数值达到了N，则认为交流电断电事件发生，监测器向工作人员发送报警短信；当交流电恢复后，“交流电断电虚拟沙漏”红色区的数值则“漏”向蓝色区，当蓝色区数值达到N后则认为交流电恢复通电事件发牛，通过短信向工作人员通报。
C8051F020串口1与MC37i模块连接，在工作状态中，每个工作循环检测串口1是否收到字符串，当串口1接收到MC37i发送的短信提示字符串后，程序通过向MC37i发送AT指令“AT+CMGR=index>”，以文本模式读取位置为index>的短信，解读短信内容，如果短信内含有命令字符串，则执行相应命令，工作人员可以发送短信控制监测器执行回传测量数据短信、修改设置参数等命令。解读短信之后通过AT指令“AT+CMGD =index>”删除相应短信。
微控制器C8051F020串口2与上位计算机RS 232串口连接，当串口2收到来自上位机的命令字符串，则执行相应的命令。

3 结语
以GSM模块MC37i和微控制器C8051F020为核心开发的电源无线监测器具有操作简单、稳定可靠、成本低等特点，非常适合于野外测量设备电源的远程无线监测。该监测器只有一个电源开关，没有显示屏和操作按键，安装sIM卡后，通过串口或发送短信进行简单设置后即可投入工作；独特设计的“虚拟沙漏”可以可靠地监测电源异常事件的发生，电源异常事件发生后监测器会向工作人员发送报警短信，工作人员也可以向监测器发送短信主动查询监测器测量值。
目前，该监测器已经通过了测试，现已应用于对某野外测量设备电源的现场监测，为设备稳定工作提供了保障，降低了设备巡检人员的工作强度，应用效果显著。该电源监测器有一定的市场应用前景。