遠程模擬量采集報警系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種遠程模擬量采集報警系統，由傳感器、測量儀表、主控器和手機短信收發裝置組成。由測量儀表的ADC進行同步采樣保存，各測量儀表將其采集的數據通過電力線通信傳送給主控器處理，當測量的數據超限時，主控器通過GSM網向管理員報警。
【專利說明】
遠程模擬量采集報警系統
(一)技術領域:
[0001]本發明涉及一種遠程模擬量采集報警系統，由傳感器、測量儀表、主控器和手機短信收發裝置組成。由測量儀表的ADC進行同步采樣保存，各測量儀表將其采集的數據通過電力線通信傳送給主控器處理，當測量的數據超限時，主控器通過GSM網向管理員報警。
(二)【背景技術】:
[0002]由電力網提供電源的控制系統，其各電子設備或模塊間都是通過專用線路通信，來糾正各電子設備或電子模塊的計時時間，達到同步運行目的。由于采用專用線路通信使布線復雜化并增加成本，如果計時時間不通過線路通信糾正，則由于傳統計時誤差，運行數小時后，其累積計時誤差會使系統控制動作不一致，可能造成系統崩潰，在一些經常變更設計，布線工程量大的場合其產品應用受到限制。
(三)
【發明內容】
:
[0003]本發明涉及遠程模擬量采集報警系統，用于各種物理量的采集和遠程傳送。系統由傳感器、測量儀表、主控器和手機短信收發裝置組成。由測量儀表的ADC進行同步采樣保存，各測量儀表將其采集的數據通過電力線半波通信傳送給主控器處理，當測量的數據超限時，主控器通過GSM網向管理員報警。各測量儀表和主控器中均安裝周波甄別電路，用于產生系統的同步時間保持系統動作一致，同時在其通信電路中各安裝一個通信電子開關、開關驅動模塊。各測量儀表和主控器均接于同一電力網線上并設置總開關，在總開關之后安裝隔離二極管，系統采用經電力線的半波通信半波供電。各測量儀表的面板裝有3至5只不同顏色LED，測量儀表在離線單獨剛開機后的一段時間，依序顯示不同顏色LED組合(例如:紅、綠、藍、紅綠、藍綠、紅藍、紅綠藍等等)，各組合均與編號的號碼對應，選擇顯示不同顏色LED組合時，關機得到相對應的唯一的編號并保存，并貼標識可查看核對標識，它是在編號時段當檢測不到電網周波信號時，單片機依靠其電源電容的儲能將編號數據存入非易失存儲器中。
[0004]通信是受同步時間控制以保持動作長時期一致，主控器和各測量儀表的開關驅動模塊從電力網線經電阻降壓、分壓后接D觸發器的CLK端，D觸發器的Q端接單片機的外部中斷口(INTO或INTl)，該中斷口設置為電平觸發。D觸發器的D端接地，其S端與單片機的I/O口相接，初始狀態S端置I ο當CLK端的正方波信號到來時，其上升沿使D觸發器置O，外部中斷口低電平產生中斷，在中斷服務程序中先使S端置O使D觸發器置IS卩Q端為I而關中斷，然后進行通信，通信電子開關依所采用通信方式接于單片機相應端口，并進行信號調理，通信結束前S端置I使開中斷等待下一周波的通信，如此周而復始實現半波通信。
[0005]系統中安裝有手機短信收發裝置，利用GSM網絡，以收發短信方式進行遠程通信，目前GSM的SMS短信服務仍然是國內普及率最高的一種短信業務GSM的SMS本身具備數據傳送功能，一個消息的傳輸就構成了一次通信，消息的傳輸是由處于GSM外部的短消息服務中心(SMSC)進行中繼，GSM的短信息業務SMS它不用撥號即可建立連接，用戶把要發的信息加上信宿數據發送到短信息服務中心，經短信服務中心完成存儲后再發送給最終的信宿。所以當GSM終端沒開機時信息不會丟失。
[0006]本發明利用電力網周波的正半周上升段，取三個甄別點實現對周波信號的識別判定，再利用周波時間建立同步時間，實現系統中主控器和各測量儀表的同步運行。
[0007]主控器和各測量儀表的周波甄別電路結構示意圖如圖2所示，由二個采用滯回比較器的電壓比較器組成，每個電壓比較器中均包含濾波電路，其電壓比較器的基準電壓由穩壓電路提供。系統設置時鐘計時器和同步計時器。如果檢測到相臨的兩個周波信號均為真，則取出該兩個相鄰的周波信號過零之間的時鐘計時器計時時間，按序存入周波時間存儲單元中，該周波時間存儲單元可存放100個周波時間，存滿時每存入一個周波時間，均先移除最先存入的一個周波時間，并計算存入的周波時間的平均值Tz并保存，利用Tz值鑒別待識別周波信號，以降低電力網頻率波動的影響，同時采用三個甄別點降低誤判可能性。
[0008]二個比較器分別用于甄別點1、甄別點2，如圖1所示。在周波正半周上升段的周波過零處，即甄別點O設置電壓過零檢測模塊，它采用周波正半波信號經電阻分壓、二極管進一步隔離負半周、信號調理后送入D觸發器的時鐘端CLK，D觸發器的Q端接單片機外部中斷口，該外部中斷口設置成電平觸發，D觸發器的D端接地，S端接單片機I/O口，平時該I/O口置
I。當周波正半波過零信號到來時，緊接其后的周波信號上升沿使D觸發器Q端為O，單片機外部中斷口低電平，從而產生中斷，在中斷服務程序中執行指令:所述I/O口置0、關中斷、計時、所述I/O口置1、開中斷。其余二個比較器分別設置在周波正半周上升段，峰值電壓的
35%至50 %處的甄別點I和50 %至70 %處的甄別點2。
[0009]周波信號判定:單片機在設定時間開中斷后，時鐘計時器清零并開始計時，當周波電壓過零時，設置在甄別點O的電壓過零檢測模塊(VO)中D觸發器的輸出電壓跳變為零，產生中斷，記錄其過零點中斷時間ThO;此后，單片機掃描甄別點I處電壓比較器(Vl)的輸出電壓，當周波電壓達到(Vl)的閾值電壓時，輸出電壓從高到低跳變，掃描記錄其跳變時間Thl;同樣掃描記錄甄別點2處電壓比較器(V2)輸出電壓跳變時間Th2，將ThO與電壓過零檢測模塊(VO)的輸出電壓跳變時間設定值TsO作比較;Th I與電壓比較器(Vl)的輸出電壓跳變時間設定值Tsl以及Th2與電壓比較器(V2)的輸出電壓跳變時間設定值Ts2分別作比較，如果在允許誤差范圍內，則檢測到的該甄別信號為真，否則為假。上述判定甄別信號為真時，計算本次周波信號過零與相鄰前一次甄別信號為真時的周波信號過零間的時鐘計時器計時時間Tzu，將其與周波時間的平均值Tz作比較，如果不超過設定周波時間誤差Tzv則周波信號為真，這時保存Tzu并取20ms與同步計時器計時時間相加，將相加的值存入同步計時器中。
[00? O ]當時鐘計時器以周波電壓過零開始計時，則計時到16ms至18.5ms間的開中斷時間設定值Tk時開中斷，時鐘計時器計時到25ms至27ms間的關中斷時間設定值Tn時關中斷。
[0011 ]系統開機后，時鐘計時器開始計時，當檢測到第一個周波電壓過零時，設置在甄別點O的電壓過零檢測模塊(VO)的輸出電壓跳變，從而產生中斷，取出周波電壓過零點的時間TO保存，將時鐘計時器清零并開始計時，這時周波電壓過零時間ThO為0，同時單片機按上述方法掃描并判定甄別信號。由于檢測的是第一個周波，時鐘計時器是在周波電壓過零時開始計時，其ThO、Thl和Th2的值均須加上周波時間20ms減去開中斷時間設定值Tk的差值，如果三個甄別信號為真，下一次即第一次開中斷時間取Tk。否則為假時，此時時鐘計時器時間須加上T0，繼續檢測。
[0012]當檢測到第一個和相鄰的第二個周波電壓過零時，由于未保存檢測的周波時間，因此兩次周波信號過零間的時鐘計時器計時時間是與周波時間20ms作比較，判定周波信號為真時，則取出開中斷時的時鐘計時器累計時間Tl = T0+Tk作為初始時間存入同步計時器中，開中斷后時鐘計時器清零，否則判定周波信號為假時，此時時鐘計時器時間須加上Tl，繼續按上述方法重新檢測第一個周波。當檢測第一個周波信號為真后，恢復以上所述的周波信號判定。
[0013]如圖1所示，如果檢測到周波信號為假，下一次開中斷時間均在本次開中斷時間后，經延時周波時間的平均值Tz時開中斷，并在開中斷后延時Tns時關中斷，設置關中斷時間是當周波信號在甄別點O時沒有產生中斷，這時須在超過TsO允許誤差范圍的設定時間點開始掃描，以及掃描甄別點I和甄別點2時，電壓比較器輸出電壓沒有產生跳變，都在關中斷時間Tns關中斷和停止掃描，Tns為:
[0014]Tns = Tn — Tk
[0015]如果檢測到周波信號為真，則下一周波開中斷時間Tks為:
[0016]Tks = Tk+ThO
[0017]即從第一次開中斷時間取Tk之后，時鐘計時器均是計時到Tks開中斷，并清零后重新開始計時，計時到Tns時關中斷，從而使同步計時器時間受到周波電壓過零時間的糾正。
[0018]重復上述過程。如果所述檢測到的上一周波信號為真，本周波判定時，甄別信號為假，或檢測到的周波時間與周波時間的平均值Tz比較超過設定周波時間誤差Tzv，或時鐘計時器計時到關中斷時間設定值Tns時，電壓過零檢測模塊(VO)輸出電壓未跳變，沒有產生中斷，則在時鐘計時器計時到Tns時關中斷，這時記未計周波數N為I并存儲，下一次開中斷時間是在上次開中斷時間經過Tz后開中斷，時鐘計時器在開中斷后清零并計時，計時到Tns時關中斷，此后每次判定周波信號真偽，如為假或本次檢測甄別信號雖為真但上次為假，則取N，將N+1后回存于存儲器中。
[0019]當檢測到周波信號為真時，則取出存儲器中N保存，并將存儲器中N置零，并恢復使用設定值Tks，這時取(N+1) X 20ms的值加于同步計時器中。
[°02°]系統同步時間為同步計時器的時間，再加上當前正在計時的時鐘計時器的時間。
[0021]判定甄別點信號真偽時，ThO、Thl、Th2是通過與電壓比較器輸出電壓跳變時間設定值TS0、Tsl、Ts2作比較看是否超差，來判定甄別點信號真偽，可以選擇:ThO、Thl、Th2均為真時該周波甄別信號為真，或者ThO為真，同時Thl、Th2之一為真時，或者Thl、Th2為真時，該周波甄別信號為真，視對判定周波信號真偽不同要求而定。
[0022]如果電力網故障，當N大于25至70間的一個設定值時，由于系統中主控器和各測量儀表，其檢測的Tz值和N值可能不同，這時，電力網頻率累積誤差，可能造成同步計時器時間無法通過檢測到真實周波信號時得到糾正，當檢測到周波信號為真時，這時采用時鐘計時器的累計計時值直接加于同步計時器中，以減少系統的不同步時間，累計計時值為NXTz+20ms。電力網正常運營情況下N遠小于25。
[0023]允許的周波時間誤差Tzv和電壓比較器輸出電壓的翻轉時間設定值，由試驗評估取其平均值獲得。
(四)【附圖說明】:
[0024]圖1是周波甄別數據關系示意圖；
[0025]圖2是周波甄別電路結構示意圖；
[0026]圖3是遠程模擬量采集報警系統的電路結構方框圖。
(五)【具體實施方式】:
[0027]圖3是遠程模擬量采集報警系統的電路結構方框圖，包括:主控器(10)、通信電子開關(11)、開關驅動模塊(12)、手機短信收發裝置(13)、SIM卡(14)、傳感器(15)、周波甄別電路(16)、測量儀表(17)。其中通信電子開關(11)、開關驅動模塊(12)和周波甄別電路(16)和圖2中單片機(UO)均分別包含在測量儀表(17)和主控器(10)中。通信電子開關(11)使用雙向可控硅作為開關。
[0028]圖2是周波甄別電路(16)的結構示意圖，由:輸入電路(SO)、電壓過零檢測模塊(VOK電壓比較器(Vl)和電壓比較器(V2)構成。單片機(UO)是指測量儀表(17)和主控器(10)中的單片機。輸入電路(SO)用于將電力網交流電壓通過電阻和二極管的分壓，轉換為電壓比較器合適的穩定的輸入電壓。單片機(UO)采用89C55WD，電壓比較器(Vl)、電壓比較器(V2)均使用專用的電壓比較器LM393，其基準電壓是采用穩壓管的穩壓電路來穩定電壓比較器的閾值電壓。
[0029]當電力網交流電壓周波信號過零時，電壓過零檢測模塊(VO)的輸出電壓跳變，單片機(UO)產生中斷，記錄中斷時間，同時單片機(UO)還用于掃描電壓比較器(Vl)和電壓比較器(V2)的輸出電壓，當輸出電壓跳變時記錄跳變時間，用于判定電力網周波信號從而產生同步時間。
[0030]手機短信收發裝置中單片機89C51通過I2C總線與主控器實現串行通信，該單片機89C51還通過串行接口集成電路MAX232與GSM模塊TC35i連接進行數據交換，GSM模塊芯片TC35i是RS232數據口，支持AT命令集，其中包含了對SMS的控制，單片機89C51通過向GSM模塊發送一系列AT指令，完成對GSM模塊的初始化和短信息收發。SMS的收發采用TEXT模式，TEXT模式是基于ASCII碼的一種結構模式。
【主權項】
1.本發明涉及遠程模擬量采集報警系統，其特征是，各測量儀表將其采集的數據通過電力線半波通信傳送給主控器處理，當測量的數據超限時，主控器通過GSM網向管理員報警，各測量儀表和主控器中均安裝周波甄別電路，用于產生系統的同步時間，同時在其通信電路中各安裝一個通信電子開關、開關驅動模塊，在總開關之后安裝隔離二極管;各測量儀表的面板裝有3至5只不同顏色LED，單獨剛開機后的一段時間，依序顯示不同顏色LED組合，選擇顯示不同顏色LED組合時，關機得到相對應的唯一的編號并保存，并貼標識可查看核對標識，它是在編號時段當檢測不到電網周波信號時，單片機依靠其電源電容的儲能將編號數據存入非易失存儲器中，主控器和各測量儀表的開關驅動模塊從電力網線經電阻降壓、分壓后接D觸發器的CLK端，D觸發器的Q端接單片機的外部中斷口，當CLK端的正方波信號到來時，其上升沿使D觸發器置O，外部中斷口低電平產生中斷，進行通信；系統中安裝有手機短信收發裝置，利用GSM網絡，以收發短信方式進行遠程通信； 周波甄別電路是利用電力網周波的正半周上升段，取三個甄別點實現對周波信號的識別判定，再利用周波時間建立同步時間，系統設置時鐘計時器和同步計時器，如果檢測到相臨的兩個周波信號均為真，則取出該兩個相鄰的周波信號過零之間的時鐘計時器計時時間，按序存入周波時間存儲單元中，存滿100個周波時間時，每存入一個周波時間，均先移除最先存入的一個周波時間，并計算存入的周波時間的平均值Tz，利用Tz值鑒別待識別周波信號； 二個比較器分別用于甄別點1、甄別點2，在周波正半周上升段的周波過零處，即甄別點O設置電壓過零檢測模塊，它采用周波正半波信號經電阻分壓、二極管進一步隔離負半周、信號調理后送入D觸發器的時鐘端CLK，當周波正半波過零信號到來時，緊接其后的周波信號上升沿使D觸發器Q端為0，單片機外部中斷口低電平，從而產生中斷，其余二個比較器分別設置在周波正半周上升段，峰值電壓的35%至50%處的甄別點I和50%至70%處的甄別點2; 周波信號判定:單片機在設定時間開中斷后，時鐘計時器清零并開始計時，當周波電壓過零時，設置在甄別點O的電壓過零檢測模塊中D觸發器的輸出電壓跳變為零，產生中斷，記錄其過零點中斷時間ThO;此后，單片機掃描甄別點I處電壓比較器(Vl)的輸出電壓，當周波電壓達到電壓比較器(Vl)的閾值電壓時，輸出電壓從高到低跳變，掃描記錄其跳變時間Thl;同樣掃描記錄甄別點2處電壓比較器(V2)輸出電壓跳變時間Th2，如果所述跳變時間在允許誤差范圍內，則檢測到的該甄別信號為真，否則為假，上述判定甄別信號為真時，計算本次周波信號過零與相鄰前一次甄別信號為真時的周波信號過零間的時鐘計時器計時時間Tzu，將其與周波時間的平均值Tz作比較，如果不超過設定周波時間誤差Tzv則周波信號為真，這時保存Tzu并取20ms與同步計時器計時時間相加，將相加的值存入同步計時器中；當時鐘計時器以周波電壓過零開始計時，則計時到16ms至18.5ms間的開中斷時間設定值Tk時開中斷，時鐘計時器計時到25ms至27ms間的關中斷時間設定值Tn時關中斷； 當檢測到第一個周波電壓過零時，設置在甄別點O的電壓過零檢測模塊的輸出電壓跳變，從而產生中斷，取出周波電壓過零點的時間TO保存，將時鐘計時器清零并開始計時，這時周波電壓過零時間ThO為O，單片機按上述方法掃描并判定甄別信號，其ThO、Thl和Th2的值均須加上周波時間20ms減去開中斷時間設定值Tk的差值，如果三個甄別信號為真，下一次即第一次開中斷時間取Tk，否則為假時，此時時鐘計時器時間須加上T0，繼續檢測； 當檢測到第一個和相鄰的第二個周波電壓過零，判定周波信號為真時，則取出開中斷時的時鐘計時器累計時間Tl = TO+Tk作為初始時間存入同步計時器中，開中斷后時鐘計時器清零，否則判定周波信號為假時，此時時鐘計時器時間須加上Tl，繼續按上述方法重新檢測第一個周波，當檢測第一個周波信號為真后，恢復以上所述的周波信號判定； 如果檢測到周波信號為假，下一次開中斷時間均在本次開中斷時間后，經延時周波時間的平均值Tz時開中斷，并在開中斷后延時Tns時關中斷，設置關中斷時間是當周波信號甄別為假時，在關中斷時間Tns關中斷和停止掃描，Tns為: Tns = Tn-Tk 如果檢測到周波信號為真，則下一周波開中斷時間Tks為:Tks = Tk+ThO 即從第一次開中斷時間取Tk之后，時鐘計時器均是計時到Tks開中斷，并清零后重新開始計時，計時到Tns時關中斷； 重復上述過程，如果所述檢測到的上一周波信號為真，本周波判定時，甄別信號為假，則在時鐘計時器計時到Tns時關中斷，這時記未計周波數N為I并存儲，下一次開中斷時間是在上次開中斷時間經過Tz后開中斷，時鐘計時器在開中斷后清零并計時，計時到Tns時關中斷，此后每次判定周波信號真偽，如為假或本次檢測甄別信號雖為真但上次為假，則取N，將N+1后回存于存儲器中； 當檢測到周波信號為真時，則取出存儲器中N保存，并將存儲器中N置零，并恢復使用設定值Tks，這時取(N+1) X 20ms的值加于同步計時器中； 系統同步時間為同步計時器的時間，再加上當前正在計時的時鐘計時器的時間； 判定甄別點信號真偽時，選擇:ThO、Thl、Th2均為真時該周波甄別信號為真，或者ThO為真，同時Thl、Th2之一為真時，或者Thl、Th2為真時，該周波甄別信號為真，視對判定周波信號真偽不同要求而定，如果N大于25至70間的一個設定值時，采用時鐘計時器的累計計時值直接加于同步計時器中，累計計時值為NXTz+20ms。2.根據權利要求1所述的遠程模擬量采集報警系統，其特征在于包括: 主控器(1)、通信電子開關(11)、開關驅動模塊(12)、手機短信收發裝置(13)、S頂卡(14)、傳感器(15)、周波甄別電路(16)、測量儀表(17)，其中單片機(UO)和通信電子開關(11)、開關驅動模塊(12)和周波甄別電路(16)均分別包含在測量儀表(17)和主控器(1)中；周波甄別電路(16)由:輸入電路(SO)、電壓過零檢測模塊(VO)、電壓比較器(Vl)和電壓比較器(V2)構成，輸入電路(SO)用于將電力網交流電壓通過電阻和二極管的分壓，轉換為電壓比較器合適的穩定的輸入電壓； 手機短信收發裝置中單片機89C51通過I2C總線與主控器實現串行通信，該單片機89C51還通過串行口 MAX232與GSM模塊TC35i連接進行數據交換。
【文檔編號】H04W4/14GK106094620SQ201610447800
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發明人】張金木
【申請人】福州臺江區超人電子有限公司