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2016年7月

兰州交通大学新能源与动力工程学院课程设计任务书

课程名称：

远程监控技术指导教师（签名）：

班级：

电气1301班姓名：

赵亚琦学号：

201311949

一、课程设计题目

基于GPRS的远动终端装置设计

二、课程设计使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

通过查阅书籍、论文，做出分析正确，条理清晰、论述充分、文字通顺、图纸图表规范的课程设计报告。

三、课程设计的目的

进一步熟悉和掌握电力系统远动及调度自动化的专业知识，了解“四遥”的功能及遥信、遥测、遥控、遥调的概念，掌握以远动为核心的电力系统控制基本方法和技术；

逐步掌握模块化程序设计的方法和调试技术。

四、课程设计的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）

1.准确可靠地判断电力系统故障的发生，并能够在较短的时间内判断出故障点具体的位置；

2.准确可靠地判断故障，能对电力系统进行远程控制；

3.检测原理简单可靠，易于操作和维护；

4.能起到快速切除电力系统故障和调度电网的调度。

五、工作进度安排

7月1日布置设计任务，查阅资；

7月2日需求分析、理论研究、方案设计；

7月2-3日总体设计、详细设计、实验测试；

7月4日编写课程设计报告；

7月5日根据指导老师的指导意见对论文初稿进行修改。

六、主要参考文献

[1]远动通道监测系统的设计[J].南京工程学院学报,2001

[2]远动通道监测系统的设计和实现[J].电力系统通信,2001

[3]罗会玖.基于GPRS的输油管道实时监控系统[J].电脑知识与技术，2013（7）

审核批准意见

系主任（签字）　　　年　　月　　日

指导教师评语及成绩

指导教师评语

成绩

设计过程

（40）

设计报告

（50）

小组答辩

（10）

总成绩

（100）

指导教师签字：

年月日

目录

摘要1

1.设计方案2

1.1系统的整体方案设计2

2.RTU硬件设计2

2.1硬件结构框图2

2.2GPRS以数据模式传输数据的原理3

2.3GPRS数据传输的实现4

3.监测系统软件设计4

3.1系统软件流程4

3.2数据接收5

3.3信号采集程序设计6

3.4GPRS通讯模块及原理7

3.5短信收发功能的实现7

4.结束语7

个人心得8

参考文献9

摘要：

为满足变电站电压、电流、温度湿度参数测量与监控的需要，设计了一种基于STM32处理器的RTU系统，该设计实现了各功能模块并给出了相应的硬件电路及软件的实现方法，系统使用GPRS与远程监控主机进行通信，实现远程上位计算机数据实时监控的需要。

关键词：

远动终端单元；

通用分组无线服务技术；

数据采集

1.设计方案

1.1系统的整体方案设计

电力系统远动通道监测与中心服目前市场上的RTU终端大多采用8位或16位单片机，且数据通信大多采用串行通信，存在时钟频率低、位数小、指令执行时间长、内存小、传输速度慢等缺点，已不能满足对变电站实时监控的要求，因此，开发具有低成本、实时性好的RTU系统势在必行。

务器是通过GPRS模块连接互联网进行数据交换的，设备接入互联网的通讯方案如下：

方案一:

可以将TCPNP协议内嵌入MCU，作为中心站服务器的通信网络接口，在MCU上实现TCPHP协议，与GPRS模块连通后直接接入GPRS网络。

方案二:

利用MCU控制以太网卡与GPRS模块进行连接，采用MCU向以太网卡发送指令的方式驱动TCP/IP连接。

方案三:

将TCP/IP协议内嵌入GPRS模块，MCU通过串行接口向GPRS模块发送AT指令登录GPRS网络。

结合对程序存储空间、执行速度、设计复杂度以及设计成本等方面的综合考虑，选用方案三将终端设备接入互联网，此方案较容易实现且成本低，是监测终端设备与中心站实现远程通信的最优方案。

2.RTU硬件设计

2.1硬件结构框图

图1设计的RTU硬件结构

RTU的硬件主要包括CPU、存储器、以及各种输入输出接口等功能模块。

这些模块被集成到电路板中，通过电路板布线完成RTU各功能模块连接。

CPU是RTU控制器的中枢系统，负责处理各种输入信号，经运算处理后，完成输出。

存储器是RTU记忆系统，用来存储各种临时或永久性数据。

输入输出接口通常包括：

开关量输入单元、开关量输出单元、模拟量输入单元、模拟量输出单元、脉冲量输入单元、脉冲量输出单元等。

这些输入输出单元，就是为了连接各种传感器和执行器，从而构成一个区域范围内的工业设备监测和控制。

2.2GPRS以数据模式传输数据的原理

所谓数据模式即采用TCP/IP协议的方式进行监控终端与监控中心的通信，具体通讯过程如下：

监控终端将采集到的信息通过RS232接口与GPRS数据传输单元（GPRS 

DTU）相连，GPRS 

DTU的内置嵌入式处理器对数据进行集中处理、协议封装后转换为GPRS分组，通过BTS发送到GPRS服务支持节点（SGSN），SGSN根据监控中心IP地址，通过GPRS隧道协议（GTP）发送分组到相应的GPRS网关支持节点（CGSN），CGSN对分组数据进行处理后发送到Internet上的通信服务器并下载到监控中心的显示控制平台[12]。

来自监控中心的命令帧，首先被分装成IP包，由GGSN接收，再通过GTP转发到SGSN，最后由BTS传送到监控终端。

2.3GPRS数据传输的实现

GPRS数据传输部分利用GPRS模块将数据通过Internet传送到服务器，以实现数据的远程监控。

该部分是本课题的核心部分。

GPRS 

数据通过Internet传送数据时使用的是TCP/IP协议。

图2GPRS组网结构

3.监测系统软件设计

3.1系统软件流程

由系统的总体流程可知，监控终端的软件程序主要包括四个子函数：

接收命令帧子函数Rec_commd（ 

）, 

A/D转换子函数 

AD_Ctrl（ 

LCD液晶显示子函数 

LCD_Ctrl（ 

） 

以及发送数据帧子函数Data_Send（ 

）。

图3流程图

3.2数据接收

在远距离异步数据传输过程中，数据的传输有两种方式：

一是数据按字节一个一个的连续传送，另一种是以多个字节构成的数据帧为单位被传送。

在实际使用时，后者较为理想。

该系统中信息的传递主要是通过命令帧和数据帧实现的，监控终端和监控中心根据协议，即命令帧和数据帧的格式来判断接收到的信息是否有效，从而根据正确的信息来选通相应通道进行数据采集或者数据分析等操作。

一般，一个数据帧包括帧头、数据、校验码和帧尾四部分，本系统在传输的过程中所要发送和接收的数据是数字字符（一个字节），根据该数据的内容，对命令帧和数据帧的封装格式如下表所示

表1命令帧格式

表2数据帧格式

3.3信号采集程序设计

STM32的片内ADC是12位的模数转换器，使用前必须对ADC及DMA进行配置，DMA配置包括复位DMA通道、定义DMA通道外设基地址、定义DMA通道存储器地址、指定外设为源地址、定义DMA缓冲区大小、设置当前外设寄存器地址、设置DMA的内存递增模式、定义外设数据宽度、定义存储器数据宽度、设置DMA通道操作模式为环形缓冲模式、设置DMA通道优先级、禁止DMA通道存储器到存储器传输和初始化DMA通道等，ADC配置包括：

设置ADC1和ADC2工作在独立模式、使能扫描、设置ADC转换工作在连续模式、设置软件控制转换、设置转换数据右对齐、设置转换通道、初始化ADC、使能ADC1模块DMA、使能ADC1、重置ADC1校准寄存器、等待ADC1校准重置完成、开始ADC1校准、等待ADC1校准完成、使能DMA通道1、使能ADC1软件开始转换等，配置完以上的程序，那么AD每转换一次，DMA都会将转换结果搬到指定存储单元ADC1_DR_Address中，而无需每次都用赋值语句来取值AD转换的值，大大提高了数据的采集速度。

3.4GPRS通讯模块及原理

GPRS无线通信模块是远动通道监测终端的极为重要的模块，在进行软件设计前首先要规范GPRS无线通讯模块与微处理器之间以及其与中心站服务器之间的通信协议，以保证它们之间的正常通信。

GPRS无线通讯模块在软件设计时主要分为以下二个部分GPRS网络模块程序、短消息收发功能的实现与GPRS数据通信模块。

3.5短信收发功能的实现

FLY280通讯模块具有短信收发功能，可以充分满足我们的短信告警功能与远程复位RTU总线装置的功能。

对于接收读短信功能，采用定时对关键字进行查找，进而判断是否有短信到来以及该短信是否有效。

4.结束语

在充分考虑功能与成本的情况下，设计了一种基于GPRS的RTU系统，该系统具有体积小、功耗低、操作灵活的特点，其将工业控制、数据采集存储和无线通讯结合在一起，可实现RTU的控制功能，又带有数据采集仪的功能，十分的方便，满足一般小型变电站监控的所有需要，系统投入使用后，监控室值班人员可以实时查看各个电力设备的运行状态，并可根据调度指令及时启停断路器，同时值班人员可以及时发现各设备的故障，减少了不必要的损失。

个人心得

通过这次课程设计，让我更加深刻了解课本知识，和以往对知识的疏忽得以补充，在设计过程中遇到一些困难，但是这些问题经过这次设计，都一一得以解决，我相信这本书中还有很多我为搞清楚的问题，但是这次的课程设计给我相当的基础知识，为我以后工作打下了严实的基础。

虽然这次课程是那么短暂的1周时间，我感觉到这些天我的所学胜过我这一学期所学，这次任务原则上是设计，其实就是一次大的作业，是让我对课本知识的巩固和远动知识在实际中的应用，使我做事的耐心和仔细程度得以提高。

同样，也促使了我们组员之间的相互探讨，相互学习。

因此，我们必须认真、谨慎、踏实、一步一步的完成设计。

如果时间可以重来，我可能会认真的去学习和研究，也可能会自己独立的完成一个模块，我相信无论是谁看到自己做出的成果时心里一定会很兴奋。

此次设计让我明白了一个很深刻的道理：

团队精神固然很重要，但人往往还是要靠自己的努力，自己亲身去经历，这样自己的心里才会踏实，学到的东西才会更多。

这次课程设计使我收获很多、学会很多、比以往更有耐心很多。

感谢学校及老师给我们这次课程设计的机会，最真挚的感谢我们的辅导老师，在设计过程中，老师精心的辅导和不厌其烦地的态度才使得我们以顺利的完成这次设计，他那无私的奉献的精神照耀着我们对学习的热爱，同时也增加我们对知识的追求和欲望度。

参考文献：

[1]杨黄华.基于DSP的电能质量监测系统的设计[J].水电能源科学，2010（11）

[2]徐伟.基于ModbusRTU协议的智能型低压电器通信功能检测的实现[J].机床与液压，2011（15）

[4]崔利娜.S3C2410在电能质量监测分析仪中的应用研究[J].电测与仪表，2010

（2）