基于GPRS的电力线路监控系统

－3053－
1引言随着信息技术的迅速发展，电力线路正逐渐考虑采用无线监控系统来实现对电力线路的数据采集和运行状态监控。

相比人工方式，无线监控系统具有很多优点：节省了大量的人力物力，可以随时抽测电力线路的各项运行参数，实时发现环境变化，实现对电力线路的实时控制等，真正地体现了智能化管理。

目前，无线监控系统的数据传送模式大多采用以下3种方式，即集群电台、短消息（SM ）以及GPRS 模式。

考虑到所开发的电力线路监控系统所应用的环境、数据特点和生命周期，我们采用了GPRS 模式。

GPRS 是一项新兴出现的数据传送业务。

采用GPRS 费用低，数据采用网络的方式传输，其性能稳定可靠；同时可以利用现有的GSM 基站系统，不需要组建自己的网络，从而大大地节省了组网的成本。

本文讨论的就是采用GPRS 模式传输数据的一个应用实例，首先简述了GPRS 的特点和工作原理，然后重点论述基于GPRS 的电力线路监控系统的组成和功能，以及GPRS 在该系统中的实现。

2GPRS 技术
2.1GPRS 特点
GPRS
（General Packet Radio Service ）称为通用分组无线业务，是GSM 演进过程中新推出的一项高速数据服务业务。

它将移动通信技术和IP 技术有机结合，组成了移动IP 网络；可与高速发展的固定IP 网实现无缝连接，为用户提供数据、语音、图像等多媒体业务。

该网络不仅可以支持TCP/IP 传输协议，而且也支持X.25协议。

GPRS 网络具有如下特点：(1)采用分组交换技术：所谓分组交换技术就是利用GPRS 信息在传输前被分成既是分离又是相关的“分组”，并且在接收端组合，因此GPRS 特别适合于间断的、突发的或频繁的、少量的数据传送，但也适合于偶尔的大数据量传输；
(2)数据传输率高：GPRS 数据传输占用GSM 的8个时隙，数据传输率现在已可以稳定地达到115Kbps (此速率是常用56K modem 理想速率的2倍)；
(3)网络资源应用合理：由于GPRS 核心网属于分组交换网，分组用户只在传送数据时才占用信道资源，所以大大提高
收稿日期：2004-09-27。

作者简介：全茜(1980-)，女，湖南衡阳人，硕士生，究方向为计算机网络；郑雪峰，男，福建人,教授，研究方向为计算机网络。

基于GPRS 的电力线路监控系统
全
茜，郑雪峰
(北京科技大学计算机系，北京100083)
摘
要：简述了GPRS 无线业务特点及其工作原理，重点讲述了基于GPRS 的电力线路监控系统的组成、原理以及软硬件设计。

该系统通过数据测量单元在线实时监测输电线路上振动信号、温度、湿度、风速、风向等数据，并将其传到监控中心，通过中心管理系统对电力线路振动情况进行统计、分析，做出正确的预测和评估，实现故障预警。

实践证明，GPRS 技术非常适用于要求实时性的、大数据量传送的应用场合。

关键词：GPRS;PPP;电力线路监控系统中图法分类号：TP368
文献标识码：A
文章编号：1000-7024(2005)11-3053-03
Design of power line monitoring system based on GPRS technology
QUAN Qian,
ZHENG Xue-feng
(Department of Computer Science,Beijing University of Science and Technology,Beijing 100083,China )
Abstract ：The principles and characteristics of GPRS wireless service were described,and its makeup,its basic theory,and the design of the hardware and software of power line monitoring system were emphasized.The vibration of each power lines and their environment parameters such as temperature,humidity,wind speed,position and measuring time were all measured and sent to the monitoring center by GPRS,concerned with weather forecast and the historic data,and the vibration level of the power line was analyzed by the expert system,so whether an power line was working normally or not and where the faulted insulator could be known.It is proved that GPRS technology is applied for the field of real-time and large data transfer in practice.Key words ：GPRS;PPP;power line monitoring system
2005年11月计算机工程与设计
Nov.2005
第26卷第11期Vol.26
No.11
Computer Engineering and Design
－3054－
了网络资源利用率，并且可以允许用户长时间的保持与外网的连接，而不必频繁地进行连接和断开操作，从而使用户做到“永远在线”；
(4)收费合理，费用低：GPRS 采用按流量收费的办法，传送相同的数据量，较短信息方式要便宜很多，同时对于传送数据量大的用户，也提供包月的服务，大大地方便了用户的使用。

2.2GPRS 工作原理
GPRS 网络是在GSM 网络基础上，
引入了几个主要功能模块而形成的。

该网络可分为两个部分：无线接入和核心网络。

无线接入部分在移动台与基站子系统（BSS ）之间传递数据；核心网络在BSS 和标准数据通信网络边缘路由器之间中继传递数据。

图1所示，为GPRS 网络的一个简化模型，下面将对几个主要模块进行介绍。

（1）SGSN (Serving GPRS Supporting Node )
SGSN 是GPRS 网络的业务支持节点，
主要任务是对MS (移动台)进行鉴权和移动性管理，如记录MS 的位置信息，以及在MS 和GGSN 之间完成数据处理和交换。

另外，它还具有路由选择、进行计费和业务统计等功能。

（2）GGSN (Gateway GPRS Supporting Node )
GGSN 是GPRS 网络与外部数据网络相连的边界节点，主要起网关作用。

对外部网络来说，GGSN 相当于子网路由器，负责存储已获得GPRS 服务的用户的路由信息，同时也负责与外部网络的协议转换。

GGSN 接收移动台发送的数据，
选路到相应的外部网络；或接收外部网络的数据，根据其地址选择GPRS 网内的传输信道，传送给相应的SGSN 。

（3）BSS (基站子系统)
BSS 由1个基站系统控制器
（BSC ）和1个或多个基站收发信机（BTS ）组成。

GPRS 共用GSM 系统的基站，但是由于BSC 用的是电路交换方式，不支持GPRS 的分组交换业务和相关信令，所以又增加了分组控制单元（PCU ），将BSC 的分组业务和相关信令分离了出来。

PCU 主要负责在BTS 和SGSN 之间传递分组数据。

3
基于GPRS 的电力线路监控系统
3.1
系统组成
整个监控管理系统由现场监控终端、GPRS 网络、
外部数据网和监控中心服务器4部分组成。

其结构组成平面图如图
2所示。

现场监控终端通过通信模块（GPRS 模块）把传送数据分
组，无线送到GPRS 网络，再经由外部数据网，以TCP/IP 传输
协议送到监控中心服务器上；监控中心也可以反向传送各种指令到现场监控设备，控制终端的运行。

外部数据网可以是因特网或专用数据网，但必须都以TCP/IP 传输协议为基础。

监控中心服务器以光纤专线或ISDN 的方式接入到外部数据
网中，分配有1个固定IP 地址。

3.2系统实现的功能
系统实现的功能主要包括数据采集传送、故障报警、实时
控制和采集数据处理。

现场监控设备采集温度、湿度、风速、风向、电力线振动等8项数据后，并根据中心命令实时上传。

监控中心收到采集数据后，绘出电力线路一个运行周期内各项数据的曲线图，供技术人员分析电力线路运行状况。

在现场出现故障（包括温度过高、风速太大、通讯不畅）的情况下，监控终端也能够实时上传故障信息。

3.3现场监控终端组成及原理3.3.1
监控终端硬件组成
现场监控终端的硬件结构连接如图3所示，主要由通信模块（GPRS 模块）、外部存储器（FLASH ）、传感器、电源和MCU （微处理器）组成。

下面具体介绍各部分功能。

（1）通信模块
通信模块即GPRS 模块，采用Motorola 公司提供的WA-VECOM 模块。

它是一个完整的手机模块，
属于移动设备端，负责和GSM 、GPRS 网络进行信令交换。

通过串口可以实现对它的控制和进行数据传输，包括短信息和GPRS 等。

该模块需要一张开通GPRS 业务的SIM 卡，和它配套使用。

（2）存储器
图1GPRS 网罗简化结构模型
MS
图2
系统组成平面
TCP/IP
协
议
图3监控单元硬件结构
WAVECOM
存储器采用FLASH型存储器，保存一些重要的数据，这些数据在系统掉电后是不能丢失的，主要存储监控中心IP和端口号、口令、采集数据等。

它与MCU之间采用地址总线和数据总线复用的方式，中间加地址锁存器，来锁定低8位地址。

（3）传感器
本系统采用了3个传感器，来完成对电力线路状态的监测。

其中，温度传感器和风速/风向传感器分别用于测量电力线路上的温度和周围环境中的风速/风向信息；振动传感器用于测量电力线路上的振动信号。

它采用485总线通信模式，通过电平转换器和MCU的串口相连，数据更新时间为15分钟。

（4）电源
电源是采用太阳能电池并加以备用的锂电池，电源部分通过加一些必要的滤波及电压转化电路，来最终输出24V、12V 和5V的3组直流电，供各个传感器和MCU等部件使用。

（5）MCU
MCU采用Intel公司生产的PXA25532位控制处理器。

该芯片具有功能强大、集成度高、性能稳定等特点，不仅能够满足终端系统设计的需要，而且也非常适合于电力线路这种恶劣环境。

在此系统中，我们主要应用该芯片的如下功能。

首先，是它的一个硬件串口。

这个串口分别以定时器2作为波特率发生器，波特率为9600，工作模式采用8位数据位、无校验位模式。

这个串口分别与WACECOM模块进行通信，程序中接收数据采用中断方式。

其次，应用模数转换器ADC0。

该模数转换器有8路信号输入通道，由一个可配置模拟多路开关，来控制选通每一路信号。

系统采用它的3个模拟输入通道，AIN0通道接温度传感器输出端，AIN1通道接风速/风向传感器输出端，AIN2通道接振动传感器输出端，这3个通道采用交替选通的工作方式。

模数转换输出选用12位有效输出，由定时器3溢出来启动ADC 转换。

程序在ADC转换结束中断程序中，接收采样转换后的数据。

3.3.2软件控制部分
由于硬件采用的都是大规模、高集成度的芯片和模块，使得硬件设计相对简单和通用，所以该终端的大部分工作都集中到软件上。

下面主要对其中的网络连接和数据采集传送部分做一介绍。

（1）GPRS网络连接
我们最终目的是要把数据送到网络中，并要接收网络传来的数据。

因此，在此之前，最为关键的工作就是要使监控终端无线接入到GPRS网络中，这个功能是由GPRS模块来完成的。

在使用GPRS模块之前，首先需要对GPRS模块进行初始化，包括设定它的工作模式、外部接入点和使用的协议类型等。

然后，就可以发送ATD拨号命令进行GPRS网络连接了。

拨号连接过程和PC机拨号接入Internet一样，遵循PPP(Point to Point Protocol)协议，要经过一系列握手协议操作。

PPP协议的帧格式如表1所示。

标识0x7E用于帧同步，指示一帧的开始，在两帧之间只需一个该标识即可。

地址位0XFF定义了“所有站”地址，要求所有的接收端都要接收。

控制域为一个字节，值为3，其它值无效，会被丢弃。

协议域指定协议的类型，一般为两个字节，如采用压缩协议，则可以为一个字节。

FCS校验采用16位方式，也可以是32位，如果传输中FCS校验不正确，该帧数据会被自动丢弃。

（2）数据采集传送过程
数据采集主要是指电力线路运行中的一个采集周期内，温度传感器、风速/风向传感器、振动传感器输出的AD转换值。

所有的参量采集完毕后，总数据量为10K左右。

数据采集完毕后，要传送到监控中心。

由于各项参量数据不是独立传送的，所以首先要采用TLV(标识、长度、数据)的格式对所有的数据按顺序进行编码打包。

然后，再以固定的长度对打包好的数据进行分块，分块的目的是保证每次送入网络的数据长度适中，易于网络传输。

之后再调用数据传输子程序把每块数据顺序发送出去。

在数据传输子程序中，原始数据块依次由应用层数据传送命令报文、传输层UDP包、网络层IP包和链路层PPP帧报文进行封装，然后送入WAVECOM模块，发送到网络中。

传输层采用了UDP(用户数据报协议)协议，该协议是一种面向无连接的传输协议，其本身没有应答机制和命令重发机制，属于小的、节约资源的传输层协议，传输速度快。

而我们在应用层采用了应答和重发机制，所以可以确保数据被收到。

网络层则采用IP协议，IP头里包含了本机IP地址和监控中心IP地址，指出了数据的传送路径。

4结论
本文主要分析了独立开发的基于GPRS的电力线路监控系统的工作原理，软硬件组成等。

目前，该系统在实际中得到了较好的应用，并在实用中得到了好评。

参考文献:
[1]李华,李学云,区细成,等.现代移动通信新技术系统[M].广州:
华南理工大学出版社,2001.
[2]李华,孙晓民.MCS-51系列单片机使用接口技术[M].北京:北
京航空航天大学出版社,1993.
[3]RFC1661.The point to point protocol(PPP)[S].
[4]RFC1662.PPP in HDLC-like framing[S].
[5]刘立芳.远程设备实时监控管理系统的设计与实现[J].计算机
工程,2000,26(4):17-20.
[6]蔡炜.基于遥测技术的绝缘子在线监测系统[J].高电压技术.
2002.28(7):22-24.
[7]邓敏,林力辉,陈耀高.高压绝缘子在线监测系统简析[J].电网
技术,2001,25(11):83-85.
表1PPP协议帧格式
标识
01111110
地址
11111111
控制
00000011
协议
8/16位
信息
*
填充
*
FSC校验
16位
标识
01111110
－3055－。