基于GSM公網的PLC遠程通信的設計與實現

引言
PLC作為一種高性能的控制裝置，在分布式系統中得到了越來越廣泛的應用。在這種控制系統中，PLC可以多種方式，如直接采用現有的組態監控軟件與上位機通信，但針對小規模的控制系統，找到一種高性能價格比的通信方法，具有積極的實際意義。本文就日本三菱公司生產的FX2可編程控制器與監控中心通信方式的實現，從軟、硬件兩個方面來說明這個問題。隨著GSM移動通信網絡的迅速發展和用戶的日益擴大，新技術和新業務的開發和應用就已提到十分重要的位置。短消息服務業務作為ＧＳＭ網絡的一種基本業務，已得到越來越多的系統運營商和系統開發商的重視，基于這種業務的各種應用也蓬勃發展起來。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
以往，在無人值守的現場出現問題后，維修人員不可能訊速趕到現場排除故障，造成許多不必要的損失，所以作者設計了該采集與監控系統，將告警信息通過手機短消息的方式，發送到集中監控中心，從而實現了遠程遙控、遙測、遙調、遙訊。
1． 系統的工作原理及組成
該系統主要是由兩部分組成：數據采集與監控終端；集中監控中心。通信方式采用手機短消息方式，通信設備采用手機模塊TC35，手機終端TC35T。TC35具有的功能：有語音、數據、短消息、FAX四種傳輸方式；工作在GSM900MHz和1800MHz頻帶范圍內；工作電源3.3V---5.5V；波特率為300bps-115kbps,在1200bps-115kbps為自動波特率設置；數據傳送采用AT命令集；SMS具有TEXT和PDU圖形模式；P-P數據通訊速率是2400、4800、9600、14400bps。TC35T是將TC35做到工業手機中，對外提供標準的RS232接口和電源接口。將計算機的串行口與TC35T的串行口用電纜直接連接，并在計算機上添加標準的調制解調器就可以使用了。TC35T使用AT命令集工作。系統的原理框圖如圖1所示：
集中監控中心通過通道1發送命令，首先通過TC35T發送設置命令，初始化數據采集與監控終端，設置需要采集的模擬量和開關量，設置系統的密碼，設置維修人員的手機號碼；然后發送采集命令，采集各種數據量。采集完數據量后，經PLC的處理，通過通道2以短消息的方式發送到集中監控中心，中心將數據整理存入數據庫中。如果數據采集與監控終端出現了故障，直接通過TC35模塊發送故障信息到維修人員手機上，同時監控中心接收發自數據采集與監控終端的告警信息，并進行相應的處理，如判定告警地點、告警類型及相應的原因、及時通知值班和相關維護管理人員、對告警信息進行統計和分析、設置告警監控模塊配置信息等。當故障排除后，數據采集與監控終端同樣發送短消息到監控中心，通知中心故障排除，可以正常采集數據了。當然每個數據采集與監控終端都對應由維修人員。
短消息服務業務（Short　Message　Service）是GSM系統提供給用戶的一種數字業務，它與話音傳輸及傳真一樣同為GSM數字蜂窩移動通信網絡提供的主要電信業務，SMS的收發占用的是GSM網絡的信令信道，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，短消息發送端的用戶可知道短消息是否已經到達接收端，由于短消息依靠了SMSC短消息服務中心的存儲和轉發機制，當接收端用戶關機或不在服務區內時，SMSC會暫時保存該短消息，接收端用戶如果在規定時間（通常為24小時）內重新處于工作狀態，SMSC會立刻發送短消息給接收端用戶，當發送成功時會返回發送端用戶一個確認信號。SMS充分利用了GSM網絡覆蓋廣的特點和全程全網的優勢，具有極佳的移動性，使得任何一個申請了短消息服務的GSM無線終端用戶在全網范圍內獲得服務。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，則要分多次發送。
　　2．　硬件電路設計
系統的硬件電路包括：監控終端硬件設計；集中監控中心。
監控終端硬件包括：數據采集部分；TC35接口電路；溫度傳感器電路；遙調電路。
集中監控中心硬件包括：上位機；TC35T手機終端。
2.1　數據采集部分
數據的采集分為：模擬量的采集和開關量的采集。
模擬量主要采集各種工業儀表的數據，如壓力、流量、溫度、濕度、電壓、電流等。
開關量的檢測，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遙調電路設計
為了能夠實現遠程自動調節各種現場的參數。作者設計了遙調電路。采用固態非易失性數字電位器X9313。電路圖如圖3所示。數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，因此在下一次上電工作時可以被重新調用。當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相當于一般電位器的三個端。
圖3　遙調電路
圖4　溫度傳感器電路

2.3溫度傳感器電路設計
　　　為了實時監視數據采集與監測終端的溫度變化，當溫度超過上限值時啟動排風裝置。當溫度低過下限值時啟動加溫裝置，作者設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溫度成正比，靈敏度10mv/c。輸出后的電壓經過LM358放大器的放大后送A/D轉換器。電路圖如圖4所示。
2.4　TC35接口電路設計
TC35模塊主要是由射頻天線、內部FLASH、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIP插座組成。TC35接口電路設計主要是40針的電纜與單片機的接口。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腳為點火信號，接到單片機的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腳分別為發送RXD和接收TXD引腳。24腳~29腳對應的是SIM卡的引腳。32腳為指示燈引腳，當未插入SIM卡或40腳的電纜沒有接好或者模塊正在入網時，指示燈處于閃亮狀態，亮600ms　滅600ms；當模塊登錄網絡時，指示燈亮75ms滅3s。
2.5　電平轉換器設計
FX2系列PLC的編程接口采用RS-422標準，而計算機的串行口采用RS-232標準。因此，作為實現PLC計算機通信的接口電路，必須將RS-422標準轉換成RS-232標準。RS-232與RS-422標準在信號的傳送、邏輯電平均不相同。RS-232采用單端接收器和單端發送器，只用一根信號線來傳送信息，并且根據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標準是一種以平衡方式傳輸的標準，即雙端發送和雙端接收，根據兩條傳輸線之間的電位差值來決定邏輯狀態。RS-422電路由發送器、平衡連接電纜、電纜終端負載和接收器組成。它通過平衡發送器和差動接收器將邏輯電平和電位差之間進行轉換。作者選用MAXIM公司的MAX232實現RS-232與TTL之間的電平轉換。MAX232內部有電壓倍增電路和轉換電路，僅需+5V電源就可工作，使用十分方便；選用MAX485實現RS-485與TTL之間的轉換。每片MAX485有一對發送器/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．軟件設計
系統的軟件設計包括：下位機軟件設計；上位機軟件設計；下位機與上位機通信軟件設計。
3.1短消息PDU格式分析及實用的AT命令
發送和接收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。西門子的手機大多只支持PDU模式，在PDU模式下短信息正文經過編碼后轉換成UNICODE碼被傳送。由于我們采用的是西門子的TC35手機模塊和TC35T手機終端，所以本文主要探討PDU模式的發送和接收。
下面通過對發送的短消息格式分析，來介紹SMS　PDU的數據格式。假設準備發送中文短消息內容為“晚上好123”。首先，將TC35T與計算機的串口相連，并打開計算機的超級終端：
3.1.1發送短消息的具體操作過程如下(帶下劃線字符為響應信息，{}內為注釋)：
AT　
OK　{計算機與手機的連接成功，這時就可以輸入各類GSM　AT指令了}
AT+CNMI=1，1，2
OK　{設置收到短消息提示}
當模塊收到短消息時，給出回應：　
例如：+CMTI：“SM”，4
AT+CMGF=0
OK　{設置模塊工作的模式：0為PDU模式，1為文本模式}
AT+CMGS=26{發送短消息的字節數}
>0891　683108200905F0　0103　0D91　683199312523F9　3208　0C　665A4E0A597D003100320033//鍵入Ctrl+Z，看到提示符->出現在最后一個數字后面，說明系統已經收到了命令。系統會返回操作的結果。
OK　{OK表示成功，ERROR表示發送失敗}
+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號碼為：13991352329
3208：表示發送中文字符方式
0C：表示短消息長度
665A4E0A597D003100320033：表示發送中文字符的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，2表示未發信息，24表示信息總容量}　
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　下位機軟件設計
包括：數據采集及A/D轉換程序；越限報警程序。
3.3上位機軟件設計
包括：監控中心主界面設計；數據庫程序設計。
3.4下位機與上位機通信軟件設計
因為下位機與上位機通信是通過短消息來完成的，所以通信軟件設計的關鍵是單片機如何發送AT命令。
4．結束語
本文采用短消息業務完成數據采集與監測終端與控制中心的通信。實現了數據采集與監測終端的遙控，遠程控制電源的通斷；遙測，遠程測量各種開關量；遙調，遠程調節各種增益；遙訊，遠程查詢采集各種模擬量。短消息業務具有永遠在線、不需撥號、價格便宜、覆蓋范圍廣等優勢，特別適用于需頻繁傳送小數據量的應用，還適用于偏遠地區、架設通信線路困難的地方。對于數據采集與監測終端來說，它一般放在無人值守地區，應用短消息業務來傳送數據最為合適。作者設計的該系統現在已經投入運行，實踐證明了該系統工作非常的可靠。