1 引言
在油田等地域分布遼闊的野外地區，輸電線路和電力變壓器因遠離供電局經常面臨被盜的危險，一旦輸電線和電力變壓器被盜，將會造成很大的經濟損失，給電力系統的穩定運行和油田安全生產造成極大的隱患。隨著gsm移動通信網絡的迅速發展和用戶的日益擴大，gsm的信號覆蓋范圍很廣，盲區越來越少，現在gsm機站建設迅速，設計上已經覆蓋了整個地區。為此，本文利用gsm通訊網絡開發出的輸電線路和變壓器防盜系統，能有效地對偏遠地區的輸電線路和電力變壓器的運行情況實時監控。
2 系統設計
本文主要描述了利用stc89c52單片機實現的基于gsm模塊的電力變壓器防盜系統，包括stc89c52單片機的功能特點、gsm短信模塊工作原理、傳感器工作原理。文中使用的gsm(全球移動通信系統)模塊為siemens公司推出的新一代無線通信gsm模塊——tc35，利用該模塊可以完成短消息收發、語音傳輸、與pc機進行數據傳輸等功能。系統由單片機和gsm模塊以uart(通用異步收發器)形式通信完成數據的采集和發送，并通過gsm模塊將采集到的信息通過gsm網絡傳送給用戶終端；信號的檢測采用二種傳感器進行信號的采集，以確保電力變壓器的安全性；同時為防止電網斷電等因素所造成的影響，即在電網掉電后自動啟動后備電池繼續保證系統的正常工作，極大地提高了系統的穩定性與可靠性；在人機交互中，采用遙控布防和撤防的方式便于控制報警系統監控狀態，另外，通過電腦終端可以對系統的工作狀態進行動態掌握。系統的組成框圖如圖1所示。
圖1系統基本原理框圖
3 gsm模塊tc35應用設計
tc35是siemens公司推出的新一代無線通信gsm模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務(short message service)和傳真。模塊的工作電壓為3.3-5.5v，可以工作在900mhz和1800mhz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2w(900m)和1w(1800m)。模塊有at命令集接口，支持文本和pdu模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、idle、talk等模式。通過獨特的40引腳的zif連接器，實現電源連接、指令、數據、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過zif連接器及50ω天線連接器，可分別連接sim卡支架和天線。
tc35模塊主要由gsm基帶處理器、gsm射頻模塊、供電模塊(asic)、閃存、zif連接器、天線接口六部分組成。作為tc35的核心，基帶處理器主要處理gsm終端內的語音、數據信號，并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持fr、hr和efr語音信道編碼。
3.1 tc35硬件設計
(1) tc35 的硬件接口。tc35模塊有40個引腳，通過一個zif(zero insertion force，零阻力插座)連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數據輸入/輸出、sim卡、音頻接口和控制。其中igt是啟動端，系統加電后為使tc35進入工作狀態,必須給igt加一個大于100ms的低脈沖,電平下降持續時間不可超過1ms。單片機通過tc35的18、19腳交換數據。tc35的外圍電路圖如圖2所示。
圖2 tc35外圍電路圖
(2) tc35的開發技巧。在開發tc35的過程中，正確構建其外圍電路是十分重要的。電源要求：模塊的供電電壓如果低于3.3v會自動關機。同時模塊在在發射時，電流峰值可高達2a。同時在此電流峰值時，電源電壓(送入模塊的電壓)下降值不能超過0.4v。所以該模塊對電源的要求較高，電源的內阻+ffc聯接線的電阻必需小于200mω；mcu與tc35通信：單片機通過兩個i/o口控制tc35的開關機、復位等，通過串口與tc35進行數據通信，通信速率為9600kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數據位，1位停止位；邏輯電平的區別：tc35模塊輸入輸出的ttl正電平邏輯不是+5v，而是+2.9v，因此必要時加端口保護；tc35上電后需要在igt引腳施加100ms左右的低脈沖才能啟動。
(3) 如何解決模塊無法登陸網絡的問題。因為在tc35的整個外圍電路中存在數字地和模擬地，考慮將上述電感換成磁珠，原因是電感無法吸收數字地和模擬地之間的高頻諧波分量，而磁珠則可以很有效地吸收高頻分量，很好的起到了隔離數字地和模擬地。另外，將+5v電源與tc35模塊的vbatt+之間的濾波二極管換下，改為直流穩壓電源(5v，2a)直接供電，解決二極管的最大導通電流達不到模塊要求的瞬間的大電流(2a)的問題。
(4) 關于sim卡的管腳信號。sim卡有三種電氣規范的，1.8v/3.0v/5.0v。現在我們手機上用的sim卡一般都是3.0v的。sim卡上供電受電源vcc的影響比較大，并且其紋波不能很大。在rst信號正確的前提下，正常工作時，rst信號為高電平。這時測試cl-ock和data信號的波形會發現：這兩個信號在tc35對sim卡操作時才有波形，如沒有操作則一般都不會有波形，這都是屬于正常情況。sim卡的信號線、電源線都需要去耦。
3.2 tc35 軟件指令
(1) 基本at指令：讀取短信支持格式0,pdu(中英文都可)；1,text(只能用于英文)。指令：at+cmgf?返回：+cmgf: 0注意：tc35默認的是text模式，因此要發中文短信必須在每次開機時更改短信支持格式。輸入：at+cmgf=0返回：ok。
(2) 中英文短信的發送。英文短信的分析：at+回車：通訊握手指令，返回：ok。指令：at+cmgf=1。設置為pdu模式，為發送中文漢字準備(若開機時默認為1)，返回：ok，at+cscs=" gsm "(若開機時默認為gsm)，設置tc35的工作模式。短信息的發送分成兩步：a、發送接收的手機號碼,等待應答：“>"，指令：at+cmgs="13587654321"回車(目的地址)，tc35回應：at+cmgs="1-3587654321" >。b、輸入短信息的內容(只能是英文)：test 回車。
中文短信發送的基本原理分析：使用串口調試助手成功發送的中文短信息完整過程，短信中心號碼：13800513500；短信接收方號碼：13587654321；短信內容：“華科大文華學院”。
指令：at+回車：通訊握手，返回：ok，指令：at+cmgf=0 設置為pdu模式，因為要發送中文漢字，返回：ok，at+cmgs=6 (此數是十進制)，發送短消息的字節數(即phone+msg的字節數)>。可以接收數據：089168310 -8200705f011000b813185674523 - f10008c20c534e79d159276587534e5b66962。指令：+cmgs: 45 返回：ok (注釋：08表示短消息中心地址長度；91表示短消息中心號碼類型；683108200705f0表示短消息中心號碼13800270500；1100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；3185674523f1——表示目的地址，即接收短消息的手機號碼為13587654321；3208表示發送中文字符方式；c2表示有效期(tp-vp) 5 分鐘a7(24小時)；0c表示短消息長度；534e79d159276587534e5b6 -69662——表示發送中文字符的unicode碼。
4 軟件設計
4.1 主程序流程圖
軟件設計采用c語言編寫、模塊化程序設計。stc89c52單片機對tc35模塊進行通信，首先設置波特率，通常為9600bit/s，然后再根據實際需要對中斷端口進行相應的初始化設置。根據被監控對象的實際情況，主流程圖如圖3所示。
圖3 系統軟件主流程圖
4.2部分程序源代碼
以下是基于stc89c52單片機與tc35通訊接口的部分通信程序，該程序已經通過調試并在開發裝置上正常運行。
//打電話ring
void phonecall(void)
{
unchar code ringoff_tc35[]="at+chup";
for(i=0;i<=0;i++)
{
sendtotc35(ring_tc35,sizeof(ring_tc35)-1); //向tc35發送打電話的at指令
sendasc(over); //回車
delay1s(25); // 延時9秒
sendtotc35(ringoff_tc35,sizeof(ringoff_tc35)-1); //關機
sendasc(over);
delay1s(2);
}
}
本程序源代碼實現打電話功能，其中考慮將at指令轉化成ascii碼的形式對tc35進行控制。
5 系統穩定性分析
本文研究對象為防盜系統，要求系統穩定，為此進行如下處理：在系統初始化中，間斷重復啟動三次，以保證能夠正常登錄網絡，最后以短信形式加以確認。主要用單片機對tc35進行控制，單片機的穩定性不可忽視。因外部看門狗的穩定性比內部看門狗的穩定性高，于是采用外部看門狗定時清零，以適應惡劣的工作環境。電源的可靠性也至關重要，為此采用雙電源模式。在外部無電源情況下采用內部蓄電池供電，根據用戶需要可以采用不同容量的蓄電池以保證其供電時間；在有外接電源情況下，外部供電為主，在此時蓄電池供電不足，便自動開始充電。為了使用戶了解系統的工作狀態，根據客戶需要以短信形式進行定時發送安全回復報告。
6 結束語
設計結合gsm網絡，綜合利用西門子公司的tc35模塊對電力變壓器實現了現代的防盜報警系統。整個設計充分考慮了系統中可能出現的各種意外情況，根據具體情況設計了相應的功能。本設計借助目前最可靠、最成熟的gsm移動網絡，在軟件設計上也進行了相應的人性化設計，滿足不同用戶的需求。