基于PLC的远程监控的设计与研究

基于PLC的远程监控系统设计

摘 要

智能电网时代的SCADA技术是以设备对象和网络模型为核心的理念来进行设计的，它具有处理面广、人工智能化水平很高的明显优点，并且具有方便的拓展性，在这基础上能够方便的扩展出非常多的功能化模块，比如电厂脱硫的监视、新能源的综合监测等，而不必要增加一些另外的应用或系统。这种技术能够为智能电网的调度技术支持系统及智能电网调度自动化生产运行提供坚强的技术支撑，有利于促进我国智能电网的全面发展。

由调度中心收集的网络信息必须要通过相应的应用软件的处理，以便最终实现调度生产过程中的各种各样的方式。在已经掌握一些现有的应用软件的条件下，调度员可以很快的监测到电网在运行过程中的各种状态，可以很快并且很方便地分析电网实时运行的稳定性和经济发展的趋势，在事故情况下尽快的完成相应的判断、决策，才能够对遥远的厂，站实施有效的远程控制和远程调整。

本课题针对电网调度自动化系统的管理和监控，详细分析和说明了SCADA系统中的软硬件设计，并对SCADA系统及其发展和SCADA系统应用于电网调度自动化系统中的若干相关技术进行了初步的研究。针对电网调度自动化系统工作原理，详细的分析和描述了SCADA系统的硬件和软件的设计，初步研究了SCADA系统和SCADA系统的设计在电网调度自动化系统中的一些相关技术。 SCADA系统其实是一个实时数据监控与数据采集分析的系统。通过对SCADA仿真系统的研究，让我们对SCADA仿真系统有一个比较具体的了解，熟悉SCADA仿真系统的发展历程，当前的发展状况以及未来的发展趋势。充分体会到了SCADA仿真系统在国家电网调度中发挥的不可或缺的作用。

关键词: SCADA; 电网调度; 仿真；智能电网；自动化

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ABSTRACT

The smart grid era of SCADA technology is based on the device object and the network model as the core concept to design, it has a wide treatment surface,the obvious advantage of the high level of artificial intelligence, and has a convenient expansion in this basis canfacilitate the expansion of a very large number of functional modules, such as desulfurization plant monitoring, energy monitoring, and unnecessary increase in some other application or system.This technology can support the automation of production and operation of thesystem and the smart grid scheduling for smart grid scheduling technology to provide strong technical support and help to promote the comprehensive development of China's smart grid. Network information collected by the dispatch center must pass the appropriate processing of the application software, so that the final scheduling of the production process in various ways. Conditions have mastered some of the existing application software, the dispatcher can quickly monitor the various states of the power grid during operation, you can quickly and easily analyze the grid run-time stability and economic development trends the completion of the judgment, decision systems, a detailed analysis and description of the SCADA system hardware and software design, and the SCADA system and its development and SCADA systems used in dispatching automation systems in a number of related technologies conducted a preliminarystudy. Grid dispatch automation system works, a detailed analysis and description of the SCADA system hardware and software design, preliminary study on the design of SCADA systems and SCADA systems in dispatching automation systems in a number of related technologies. The SCADA system is actually a real-time data monitoring and data acquisition analysis system. Simulation of SCADA system, a more specific understanding of SCADA simulation system, familiar with SCADA simulation system development process, the current development status and future development trends. Fully appreciate the SCADA simulation system an indispensable role to play in the national grid scheduling.

Key words : SCADA；Power Dispatching ；Simulation；Smart Grid ；automation

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目 录

第一章 绪论 .................................................... - 1 - 第一节 远程监控的背景和意义 .................................... - 1 - 第二节 远程监控技术的发展和研究现状 ............................ - 2 - 第三节 远程监控系统的应用 .......................................... 5 第四节 本课题研究的内容及意义 ...................................... 6 第二章 远程监控系统 ................................................ 7 第一节 远程监控系统基本原理 ....................................... 8 第二节 远程监控系统构架 ........................................... 10 第三节 PLC远程监控系统的基本组成 ................................. 11 第三章 基于PLC的手机短信息远程监控系统设计 ....................... 12 第一节 本系统的设计思想 ....................................... - 12 - 第二节 本系统的硬件组成 ....................................... - 12 - 第三节 总体的结构和实现功能 ....................................... 15 第四节 PLC主控模块设计 ....................................... - 16 - 第五节 窗户控制模块的设计 ..................................... - 16 - 第六节 防盗报警模块的设计 ......................................... 19 第四章 基于PLC的远程监控系统的程序设计 ........................... 20 第一节 发送短消息的GSM07系列协议简介 ......................... - 20 - 第二节 程序设计 ............................................... - 21 - 第五章 结论与展望 ................................................. 31 第一节 结论 ....................................................... 31 第二节 展望 ....................................................... 32 参考文献 .......................................................... 33 致谢 .............................................................. 35

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第一章 绪论

第一节 远程监控的背景和意义

伴随着经济全球化的进程和网络技术的快速地发展，市场竞争日益剧烈，企业的生产、销售和服务规模不断地扩大。企业间的竞争开始向产品的创新能力、产品的质量和维修服务的水平等多元化的方向发展。

在当今的全球市场中，设备的技术维修与售后服务已经成为了制约现代化企业的生产能力和影响客户对产品的满意程度的重要因素，也成为了决定企业利润和产品品牌的重要因素。设备制造行业不仅要求技术创新，提高产品质量和开发新产品，而且还要在产品的生产使用过程中，提供全生命周期的技术支持、实施设备的终生保修政策。这一发展趋势的兴起，使得设备制造企业开始从制造型向制造、服务型的不断转变，也促使着设备制造商在产品的生产研发中加入远程监控功能，使得技术服务费用大幅度降低；对设备使用型企业而言，对潜在的设备故障，远程监控通过E-mail、手机短息等方式进行预警，大大缩短了设备维修服务的响应时间。

远程监控技术的发展，推动着控制技术向网络化、分布性和开放性的方向发展， 并实现了跨地域的资源共享，这种趋势使远程监控系统功能的扩展性能不断提高，使用更加灵活、更加简便。远程监控技术在远程办公、远程交流、远程技术支持、远程维护和管理等方面有着出色的发展前景。

远程监控技术具备了以下几个特征：

1. 远程监控技术可以使异地的智力之源得到充分利用。可以使位于异地的专家通过网络获得远程监控数据，进行分析处理，实现远程监控。

2. 远程监控技术可以使异地的物质资源得到充分利用。通过该技术的使用，可以使异地物资资源的共享和远程实验得以实现。

3.管理人员采用远程监控技术，可以不必亲临恶劣的现场环境就可以对现场的工作情况进行监视，完成对参数的设置与调整，修复故障等。

4. 远程监控技术的应用，可以实现现场运行数据的快速集中和实时采集，获得现场的监控数据，提供了远程故障诊断技术物质基础。

在现代化的工农业生产中，远程监控技术被广泛的应用。远程监控的进行有以下几种方式：(1)使用无线电设备进行信号的收发；(2)使用电话线路，利用电话网络，通过双音多频(DTMF)信号载体来传送简的单命令和数据；(3)利用计算机，借助Internet(互联网)进行数据及命令的传输；(4)借助PLMN(公用陆地移动网)的SMS(短信)服务平台或

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GPRS(通用分组无线业务)的数据业务功能进行数据或命令的传递。

经过三代的发展，移动通信技术GSM(Global System for Mobile Communication)系统是当下移动通信体制中最完善、最成熟、应用最广泛的一种基于时分多址技术的移动通信系统。在远距离监控、数据采集、GPS定位、无线报警、缴费通知等领域，GSM全球移动通讯短信息的传送技术都被广泛的应用。在无线网络覆盖上，与传统的集群系统相比，GSM系统具有无可比拟的优势，另外由于GSM的SMS自身带有传输数据的功能，都使得这些应用得到迅速的普及。

由于采用了专用控制信道(DCCH)技术，使得短消息传送业务可以确保被叫方能收到。因此，短消息业务作为GSM网络的一种主要的电信业务，信息传递是实时可靠的。每条短消息的信息容量达到140个八位组(7比特编码，160个字符)不超过140个字节，足以使单个监测指标的信息量得到满足。综上所述，系统通过GSM的短消息业务的使用，来实现远程监控来控制被控对象。

第二节 远程监控技术的发展和研究现状

一、远程监控的发展

通信技术与设备的远程监控模式的发展，二者之间是密不可分，伴随着通信技术的发展，三种远程监控得到了发展。

从上个世纪90年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的重要性正在逐渐被人们所熟悉和重视。监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控的发展历史。早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态进行监视，并通过操纵盘来进行集中式操纵。而计算机监控系统是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象（生产过程）共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监视和控制功能。在现代企业的生产和治理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监视治理和自动控制。由于产业生产过程控制要求的高环境适应性、高实时性、和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控领域所使用的通讯技术都自成体系，很多通讯协议不开放，而且大多数系统都是面向单台，或单一类型的设备。随着生产力的进步，设备的分布越来越离散单一的，各自独立的监测系统已不能适应产业化的需求，于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于公道。但是由于目前运行的尽大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于同一地点，所以具有一

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定的地域局限性。Internet能实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的题目，为远程监控系统的发展提供了有利的条件。远程监控是本地计算机通过网络系统如Internet/Intranet，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能我们通常把能够实现远程监控的通讯媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统。在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，这就是远程监控技术在产业生产上的需求。

(一)早期远程监控模式

如图1.1所示，远程监控人员不能够直观的对现场的生产设备状况进行了解是这种模式的最大的缺点，仅仅依靠现场操作人员的记录对其进行分析推理，那么现场操作人员的主观判断和知识水平对做出的结论有很重大的影响，可靠性不高；另外，这种模式在实现实时的在线监控方面无能为力。

现场操作员 信 函 图1-1 早起远程监控模式

现场 设备 现场操 作员 文 字 记 录 信 函 远程控 制员 结 论 (二)近代远程监控模式

如图1.2所示，跟前一种模式相比，这种模式进步很大。由于现场生产与设备的情况能够比较直观地被远程监控人员所了解，所作出的判断可靠性提高很大；实现实时和在线监控也较容易。然而，由于经过远距离传输后，模拟信号会产生很大的失真，最终严重影响了监控的准确性。因此，该远程监控模式的有效的监控距离有空间上的限制。

设备 状态 操作人员 电话线 图1-2 近代远程监控模式

结论 传感器 模拟 信号 远程监控人员电话线 和模拟信号分析仪 (三)现代远程监控模式

如图1.3所示，随着计算机网络通信技术发展，这种模式已经成为了当下最主要的远程监控模式。现场的采样仪器可以将不同传感器的来的模拟量的设备状态转变为数字

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信号量后，通过网络通信传送给远程监控人员是该模式较为突出的特征。远程监控人员通过使用计算机和DSP(数字信号处理)技术分析处理收到的数字信号，然后对设备的状态进行总结，最后将做出的控制结论给现场操作人员或设备进行反馈。由于经过远程传输后，数字信号的失真度低，时间和空间的影响较小，因此控制结论可靠性高，真正意义上的实时在线远程监控可以实现。

设备 数字 PC/ 远程采样 传感器 状态 信号 PLC 控制 现场控制器 人员 图1-3 现代远程监控模式

操作人员 二、远程监控的国内外发展现状

远程监控的内容是：本地的计算机通过通信技术对远端的设备进行监测与控制。当下，远程监控系统在工业控制、交通运输、计算机、教育、金融等行业里得到了广泛的应用。能够实现远程监控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。

按照监控的对象来分，远程监控技术基本上可以被分为两类：计算机的远程监控技术和设备的远程监控技术。其中，设备的远程监控技术所监控的对象是在不同地域分布的生产控制设备，所研究的内容为监测设备的运行状态，设备远程监控的是研究的较早，也较为成熟的技术，在工业控制领域有着非常广泛的应用。设备的远程监控技术是当下国内外都展开深刻研究的前沿课题。

1997年一月，斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于因特网的工业远程监控的研讨会。此次会议主要讨论了有关远程监控系统的开放式体系、传输协议及对用户的合法限制等，并对技术未来的发展前景作了展望。此外，密歇根大学在互联网上建立了一个宣传点，积极地开展了针对机械加工中远程监控和制造系统的研究工作。

在国内，许多的高校也开展了针对远程监控技术的研究。目前，西安交通大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、上海交通大学等知名高校都在向国外先进水平看齐，已经着手或准备从事工业领域的远程监控的研究工作；华中理工大学也在1997年初开始了前期研究工作，并于同年11月在互联网上设立了一个远程控制宣传点，并以同年11月在因特网上设立了一个远程诊断宣传站点，向国内介绍远程监控技术，并通过技术示范的方式向用户提供有限的远程监控服务。与此同时BENTLY、ENTEK、SOLTRAN等大公司也纷纷向中国市场推出他们最新的网络化的设备状态监测产品，这对于提高我国的远程监控设备的水平，增进我国各个领域的诊断设备故障网络化起到了相对积极的作用。

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计算机领域经历了一场新的革命，它结合了现代控制技术、图形技术，其目标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能真正进进人们的生活。计算机监控系统的技术水平也从初期的模拟信息传输与控制飞速发展到了数字化、网络化信息传输与控制。

目前远程监控技术的主流是应用Internet技术，在TCP/IP协议和WWW规范的支持下，公道组织软件结构，使工作职员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及时做出响应将来，嵌进式系统的发展会越来越迅速，越来越成熟，这项新技术早晚必将用于远程监控系统上，是监控系统未来发展方向之一。嵌进式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独立进行服务，从而大大进步监控的质量和范围。

网络通讯技术在测控系统中的应用还渗透到了传感器领域，将网络接口芯片与智能传感器集成起来，并把通讯协议固化到智能传感器的ROM中，导致了网络传感器的产生。网络传感器继续了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进行通讯，因而在现场总线控制系统中得到了广泛的应用成为现场级数字化传感器。国外有不少仪器公司己研制出了各种各样的网络化传感器。国内在网络传感器方面的研究尚处于原理研究阶段，还没有成型的网络化传感器出现。

监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，使用者不断对远程监控的简便性及实时性提出了更高的要求。因此必须要更好地、更及时地应用最新技术，这样才能使得远程监控不断地发展，不断地满足人们的需求。

第三节 远程监控系统的应用

远程监控系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为以下几个方面。 (1)煤气，天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监控：发电机组，变电站，供电所的远程监控；煤气、天然气管线压力；温度、流量等远程监控；石油开采中油井各种参数的远程监控等。

(2)车辆状态远程监控：如车辆位置/时间，运动方向/速度监测，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监测等。

(3)自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监控；在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监控；关键的机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控，超限报警。

(4)对人体有害的环境下的远程监控：化工厂周围的空气质量的远程监控，噪声严重区域的噪声远程监控和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监测点的资料上传。

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(5)通风设备，制冷设备等的远程监控：冷库/仓库的远程监测，矿井通风设备，探矿设备的远程监控。

(6)水库大坝、水闸、供水系统的远程监控：河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监控这些状态数据意义重大。

(7)各种信息查询系统：交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。 目前远程监控主要有以下几种方式：短距离长线监控；通过市话网；通过Internet网络；通过自组网络(CDPD网)；通过无线数传电台方式。

第四节 本课题研究的内容及意义

将手机短信息与PLC的控制进行结合是本课题的主要研究方向，它实现了基于PLC的手机短信息的远程控制、状态查询以及PLC向手机发送短信息、报告的发送等功能，构建了一套远程的交互系统，在家庭环境的远程监控和实现智能化家居方面，根据具体的情况可以很方便的实现对功能的扩展，因此具有较高的实用价值。

随着社会的信息化程度的不断发展，信息家电已经被越来越多地应用于人们的生活中，智能化家居的概念也随之提出。智能家居系统是一个把互联网、信息家电、家居自动化和家庭安全防护防盗等技术有机地结合到一起的高新技术，是智能化、人本化的集成型开放式家居系统。未来的家居智能化和网络化是必然的发展趋势。

家居智能化的一个分支就是对家庭设备进行远程监控。当前一个热点的社会问题就是怎样建立一个低成本、高效率的家居智能系统。人们希望能够在家中煤气泄漏、起火、小偷入侵时报警；希望在回到家前启动家中的空调以调整到适当的温度；希望人外出时能够查看窗户有没关好。由于有了如上的考虑，此次课题研究的建立基于PLC的手机短信远程监控系统在实际应用GSM短信息对家居环境进行远程控，实现家居的智能化就有了很大的意义。

用户手机 窗户控制模块 GSM通讯模块(TC35i) PLC 空调控制模块 防盗报警模块 阀门控制模块 温度检测模块 - 6 - 新疆工程学院机械系机械一体化13-2

图1-4 应用设计

通过GSM短信息系统的使用来进行无线通信，实现远程监控，具有节约维护费用、节约建设费用、节约使用费用、方便实施等优点。由于PLC具有稳定可靠、功能齐全、应用灵活方便、价格便宜、操作维护方便等优点，因此该监控系统的各控制单元的核心控制元件我们选用PLC，GSM短信息模块是PLC与用户手机之间数据传输的媒介，由PLC和GSM短信息模块共同构成系统的中心控制模块。整个家居远程监控系统由GSM短信息模块、PLC和各功能子模块构成。主控单元PLC通过GSM短信息模块来控制接收用户手机所发送的短信息，依据短信息的内容控制各子功能模块；同时也可以通过GSM短信息模块对主控PLC将家居系统的状态情况以短信息形式发送给用户手机。由上述的设计思想构建的在家庭远程监控中基于PLC的手机短信远程监控系统的应用设计如图1.4所示。此次设计主要介绍窗户控制模块和防盗报警模块。

第二章 远程监控系统

第一节 远程监控系统基本原理

一、远程监控系统原理模型

远程监控技术是计算机技术、网络通信技术和控制技术的结合的一门先进技术。信息技术发展使得远程监控技术得以快速发展。远程监控技术是远程监测和远程控制的结合，远程监测是指远程获得被监控资源对象的数据信息，远程控制是指远程发送命令控制现场资源对象的运行状态。一个远程监控系统通常由远程监控端系统、远距离数据传输、现场监控端系统构成，基本结构模型如图2-1所示。三个子系统分工合作，共同实现对远程资源的监控。

远程监 控端 互联 网络 现场监 控端 图2-1 远程监控系统模型

(一)远程监控端系统

远程监控端系统是用户与被监控资源进行交互的远程接口。主要功能包括远程资源

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状态的终端显示，控制命令及参数的输入，对命令参数的状态数据进行必要的处理，以及其他操作。

(二)远距离数据传输系统

远距离数据传输系统作为远程控制信息和状态信息的传输通道，传输各种控制命令数据、监测数据和图像数据。传输系统的作用有两个：一方面传输系统将监控端的控制信息传送到现场的控制主机，使现场控制主机能对资源进行实际的控制；另一方面将现场资源的状态信息实时地传输到监控端，使操作人员通过对现场资源状态的了解，决定下一步操作。

(三)现场监控系统

现场监控系统是直接对现场资源进行监控的系统。现场监控系统根据远程监控系统的控制数据对资源进行控制，实时监测资源的状态，并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道送回到远程监控端。 二、远程监控系统性能分析

远程架空系统的性能指标主要有：实时性、可靠性、稳定性、安全性。只有保证了这些性能，远程监控系统才能快速、准确、稳定、可靠地运行。远程监控系统的各个性能指标的影响因素进行简要的分析。

(一)实时性分析

实时性是远程监控系统的一个重要的性能指标。一个系统的实时性通常采用“响应时间”来定量描述。响应时间是指某一系统对输入做出响应所需的时间。响应时间越短，系统的实时性越好。在远程监控系统中，传输的数据是命令数据、状态反馈数据(监测数据和图像数据)，主要是这些数据的传输对实时性产生了影响。对于命令数据和监测数据，由于数据发送时间远小于数据传输时间，所以数据传输时间是影响实时性的主要因素。而对于图像数据由于数据量较大，还要考虑数据的发送时间对实时性的影响。

(二)可靠性分析

远程监控系统的可靠性主要是指远程监控终端系统、传输系统的传输可靠性和现场监控系统的可靠性。对于远程架空来说，传输系统的可靠性是最为重要的一个方面。而传输系统的可靠性取决于传输的介质与传输方式等因素。例如互联网不是可靠的，可能导致数据在传输过程中发生丢失，导致远程监控失效。这就要求监控端设置超时时间，当监控端的命令发出后等待响应的时间超过了规定的时间，就重发命令。

(三)稳定性分析

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稳定性是指现场监控系统在监控终端的监控下，能够稳定的正常运行。数据传输的错误有可能导致系统出现不稳定状况，传输系统可能由于外界干扰等原因使得数据传输错误，导致了对现场控制出现不可预测的结果，从而影响系统的控制稳定性，所以系统必须要有容错机制保证系统正常稳定的运行。

(四)安全性分析

在远程监控系统中，由于各种数据都是通过网络传输的。而网络上传输的各种数据可能会遭到窃听、篡改等攻击，这就使得远程监控系统存在安全隐患。攻击者可能利用系统的安全漏洞，对远程资源进行非法操作。所以需要使用必要的安全措施来保证数据传输的安全性。例如：对数据加密传输，对用户授权操作等。

第二节 远程监控系统构架

一、远程监控系统基本结构

随着计算机网络特别是互联网的迅速发展，分布于不同地理位置上的计算机都可以通过计算机网络连接起来。网络上任意一点上的计算机资源都可以通过网络连接来访问。因此，远程监控系统通过网络能够实现对计算机资源的无地域和时间限制的访问控制。

远程监控系统基本结构如图2-2所示。通过远程监控系统，管理人员和被监控资源对象之间建立了信息传输通道。管理人员对被监控资源的访问、控制等命令信息由监控端系统通过网络传送到现场监控系统，现场监控系统根据具体的命令信息对被监控资源对象进行相应的操作；来自被监控资源对象的相应信息和告警信息都是由现场监控系统通过网络传回给监控端系统。

管理人员 远程监控端 INTERNET 现场监控端 资源 图2-2 远程监控系统基本结构

二、远程监控管理体系结构

远程监控系统在体系结构上借鉴SNMP协议的分布式管理体系结构，参照SNMP的管理者-代理(Manager-Agent)结构来构建管理体系结构。

代理位于现场控制端，实现对资源的直接访问控制；管理者位于远程监控端，通过与代理通信来间接实现对资源的远程监控。一个管理者可以对应一个代理，也可以对应多个代理，每个代理分别对不同类型的资源对象进行访问控制。

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管理者作为资源的远程监控者，负责向代理发出管理操作命令，并接受来自代理的反馈信息或告警信息。同时管理者还需要负责用户访问授权、日志管理等工作。代理作为资源的现场监控者，主要负责接收、分析管理者发送的命令，并将管理者的命令转化为本地指令对资源进行读取、修改等操作，同时可以实时监控资源的运行状态，在资源发生异常或故障时，向管理者发出告警信息。

在管理者-代理的体系结构上，将管理者和代理设计为几个对等的功能层次，每层实现相对独立的功能。如图2-3所示，管理者和代理的网络接口层实现二者的直接数据通信，其余三层实现对等的功能。

数据表示层 数据处理层 安全处理层 网络接口层 Manager 图2-3 系统功能层次 访问控制层 数据处理层 安全处理层 网络接口层 Agency 在管理者端，数据表示层负责从用户获取资源访问命令，并将数据处理层提供的资源信息显示在用户界面上；数据处理层负责命令数据包的构建和响应信息数据包解析、日志记录等数据处理过程；安全处理层负责数据的加解密，用户认证、访问权限设置等功能。网络接口层负责数据包发送接收以及告警数据侦听。

在代理端，网络接口层主要负责与管理者通信，接受命令、传送相应数据和告警信息；安全处理层负责数据的加解密；数据处理层负责解析管理者的命令，将命令消息转化为本地指令以及相应数据包的构建；访问控制层实现对资源的访问控制，并将相应数据传递给数据处理层。

第三节 PLC远程监控系统的基本组成

一、PLC远程监控系统元件

采用PLC实现现场数据的采集与控制。同时，PLC具有RS-232标准串口可与下位工控机相连，实现数据的通信。

采用工业控制计算机IPC，与PLC一起组成两级式计算机控制系统，负责完成对现场数据的监视，并通过工业MODEM与上位计算机进行通信。

为适应现场的环境，能够抗强电磁干扰，选用了工业MODEM来完成线路的连接。两个MODEM采用专线方式分别与上位机、下位机相连，而MODEM与MODEM之间通过已有的微波线路连接，根据实际微波线路调整MODEM的设置。

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在单位原有微波线路的基础上，占有其中的某两个频率段来完成数据的远程传输。由于实际设备的调制和解调是分开的。每个都有两条线，所以上位的MODEM和下位的MODEM相连时，调制和解调线要交叉。

二、系统设计

通过标准串口，将下位机与PLC相连，根据工艺要求完成对PLC的组态，包括60个模拟量输入，30个模拟量输出，30个数字量输入和20和数字量输出。

工业MODEM完成通信线路的建立。数据通信方式有两种选择：一是采用编程方式，实现数据的远程传输；另一种是PLC通过通信线路连接上位机，直接获取数据。下位机与上位机之间的通信程序如图2-4和图2-5所示。

开始开始初始化初始化从PLC读数、显示从PLC读数、显示上位机请求？NY分析、发送数据N通信错误处理上位机请求？NY分析、发送数据N通信错误处理结束？Y结束结束？Y结束

图2-4 下位机端的程序框图 图2-5 上位机端的程序框图

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第三章 基于PLC的手机短信息远程监控系统设计

第一节 本系统的设计思想

由于PLC具有稳定可靠、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，因此PLC作为一种高性能的控制装置，在分布式系统中得到了越来越广泛的应用。在这种控制系统中PLC可以采用多种方式，如直接采用现有的组态监控软件与上位机通信，但针对小规模的控制系统，找到一种高性能价格比的通信方法，具有积极的实际意义。短消息服务业务作为6SM网络的一种基本业务，己得到越来越多系统开发商的重视。基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来，以手机为控制器，以手机短信(SMS)的形式借助GSM网络来搭建与PLC的远程交互平台显得很有意义，具有易携带、实用简单方便、网络覆盖面广、资费低廉等突出优点。本系统实现了用户以手机发送短信息的形式，通过GSM模块与PLC控制器的数据通讯，调用相应的控制程序来实现控制目标的远程控制和状态查询等功能，在生产生活中都有很大的应用空间，如智能家居、汽车防盗、商场、自动售货机、厂矿、水文气象站等。

第二节 本系统的硬件组成

本系统的硬件组成部分主要由可编程控制器(PLC)、GSM短信息模块、手机及各个子功能模块组成。

一、PLC的选型

本系统选用的可编程控制器(PLC)是三菱FX2n系列微型可编程控制器，因为日本三菱系列的中小型PLC，主机及外部模块品种齐全，质量可靠，功能强大，价格适中。FX2n系列是小型FX系列PLC中的最新品种，具有微型化和极高的速度。

FX2n基本单位有16/32/48/64/80/128点，六个基本FX2n单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点。

FX2n具有丰富的元件资源，有3072点辅助继电器。提供了多种特殊功能模块，可实现过程控制、位置控制。有多种RS--232C、RS—422、RS—485串行通信模块或功能扩展板支持网络通信。FX2n具有较强的数学指令集，使用32位处理浮点数。具有方根和三角几何指令满足数学功能要求很高数据处理。

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二、短信息模块简介

本系统采用的GSM短信息模块为西门子的TC35i短信息模块，西门子的TC35系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证，所以本设计选用的是西门子TC35i。TC35i是西门子为适应各个专业领域对无线数据传输、语音传输及可开发性的需求推出的基于GSM900移动通信网络系统的OEM模块，功能上与TC35兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35i与GSM 2/2+兼容、双频(GSM900/GSMl800)，RS232数据口、符合ETSI标准GSM07.07和GSM07.05且易于升级为GPRS模块，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据，语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，接口协议公开，方便用户的应用开发及设计。

TC35i模块如图3-1所示，从功能上看主要由4部分组成：GSM基带处理器、GSM射频部分、电源A-SIC(Application Specific Integrated Circuit)、Flash。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片收发器SMART，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器(up-conversion modulation loop transmitter)、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送等处理。GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3.5mA，而在通话期间电流最大可达2.3A，这就对供电电路提出了较高的要求。GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压VBATT+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外它还输出一个2.9V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以直接使用外部的输入电压VBATT+。Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。 天线 电源ASIC 图3-1 西门子的TC35i模块的结构示意图

GSM射频部分 GSM基带处理器 天线插口 FLASH 40芯ZIF连接器 TC35i共有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。第1-14脚为电源部分，其中1.5为电源电压输入端VBATT+，6-10为电源地GND，11、12充电引脚，13对

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外输出电压(供外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻；24-29为SIM卡引脚，分别为CCIN，CCRST，CCIO，CCCLK，CCVCC和CCGND；33-40为语音接口用来接电话手柄：15、30、31和32脚为控制部分，15为点火线IGT(Ignition)，当TC35i通电后必须给IGT一个大于100ms低电平，模块才启动，30为RTC backup，31为Power down，32为SYNC；16-23位数据输入/输出分别为DSRO，RINGO，RXDO，TXDO，CTSO，RTSO，DTRO和DCDO。

TC35i的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，它符合ITU-T RS232接口标准，它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps-115kbps之间可选，硬件握手信号用RTSO/CTSO，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。通过这一接口可以用AT命令切换操作模式，可以使它处于语音、数据、短消息或传真模式。

TC35i的SYNC引脚有两种工作模式，可用AT命令AT SYNC进行切换，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，本模块使用的是后一种功能发射状态时的功率增长情况，当LED熄灭时，表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75ms亮/3s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。

基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口。为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)。在GSM模块为SIM卡预留5个引脚的基础上，TC35i在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。当插入SIM卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作。

三、数据传输模块

可编程控制器(PLC)与GSM短信息模块之间的数据传输，采用串口通讯方式，可以将PLC扩展一个三菱FX2n-232-BD通讯板，然后将三菱FX2n-232-001PLC通过串口线与GSM短信息模块相连。RS-232是在任何时候都常用的接口之一。它不仅已经被内置于每台PC机，而且已被内置于从微控制器到主机等多种类型的电脑和与它们连接的设备。串行通信可以分为同步及异步两种模式。同步通信的两端使用同步信号作为通信的依据，而异步则使用起始位及停止位作为通信的判断。目前，采用异步传输模式较为普遍，异步传输只要9支引脚就足够了。如图3-2

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图3-2 RS-232引脚图

RS-232引脚定义为：1 CD 载波检测；2 RD(RXD) 接收字符(从GSM短信息模块到232BD模块)；3 SD(TXD) 发送字符(从232BD通讯板到GSM短信息模块)；4 ER (DTR)数据端备妥；5 GND 接地；6 DSR 数据备妥；7 RTS 要求发送；8 CTS 清除已接收；9 RI 信息检测。

第三节 总体的结构和实现功能

基于PLC的手机短信远程监控系统在智能家居远程监控中的应用可构成一个独立的家居远程监控系统。利用本家居远程监控系统可以在日常生活中极大的方便人们的生活，本家居远程监控系统可以很方便的通过用户手中的手机，以短信息的形式对家中的空调、窗户、防盗报警模块进行控制，实现家居设施的远程监控。

本家居远程监控系统的工作过程如下：当用户需要远程控制家居设施时，只需要用手中的手机向GSM短信息模块中的SIM卡号发送短信息，由于GSM短信息模块与PLC用串口线相连，能够进行串口数据通讯，当GSM短信息模块收到短信息时，PLC利用中断程序查询到GSM短信息模块中有新的短信息，立刻向GSM短信息模块发出AT指令读新的短信息，接着控制各个子功能模块，达到对家居设施的控制，实现用户发送的短信息命令；当用户需要了解家中家居设施的状况时，也只需要用手中的手机向GSM短信息模块中的SIM卡号发送状态查询短信息，当GSM短信息模块收到短信息时，PLC利用中断程序查询到GSM短信息模块中有新的短信息，立刻向GSM短信息模块发出AT指令读查询短信息，接着将家中的家居设施的状态以短信息格式反馈给用户手机。

根据以上的设计思想建立的基于PLC的手机短信远程监控系统在家庭远程监控中的应用即家居远程监控系统，系统构成如图3-3所示。

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GSM网络 开关控制 P L C 操作 窗户、空调、电灯、防盗模块 手机 SMS短信 TC35i 内存 状态反馈 温湿度查询 温度、湿度、 检测模块 信息反馈

图3-3 系统构成

第四节 PLC主控模块设计

本智能家居远程监控系统主要的硬件控制部分由三菱FX2n可编程控制器(PLC)和GSM短信息模块组成。GSM短信息模块主要提供无线语音和数据传输功能，外界传输的媒介为GSM网络。本系统主要是利用它的数据传输功能，本系统和用户间的通信就和两个手机用户间通信一样。三菱FX2n可编程控制器(PLC)是这部分的核心，它承担短信息的接收和发送、短信息解释、命令的发送等任务。PLC和GSM通信模块之间通过串口进行通信。GSM通信模块安装了SIM卡，这就是本系统的号码。

本系统以三菱FX2n可编程控制器为核心，它的主要任务是完成GSM短信无线终端数据传输模块与PLC进行数据传输，对GSM短信无线终端数据传输模块中的短信息进行解释，而且要根据短信息命令控制各个子功能模块，确保它们可靠有序的工作。GSM短信模块与PLC之间根据GSM短信模块的软件通信协议，实现互相之间的通信，因此PLC主要是对通信协议进行解释，然后去控制各功能子模块。

第五节 窗户控制模块的设计

本设计中窗户的智能化主要体现在以下几个方面：用户可以发送GSM短信息控制窗户的开、关；该系统能感知下雨，从而自动将窗户关闭；在家时主人可以用按钮控制窗户的开关，方便居民的日常生活。控制电路模块如图3-4所示。

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接近 开关 传感器 P L C 直流伺服 电动机 按 键

图3-4 控制电路模块

这个系统包括接近开关电路、传感器电路、电机控制电路等几部分。窗户控制系统使得用户可以借助GSM网络的短信息业务实现对窗户的控制过程如下：当用户发送短信息要求关闭或打开窗户时，主控PLC系统通过串口接收GSM短信息模块的指令，先对该信息进行解释，然后执行相应的动作，从而实现了用户在户外使用短信息对窗户的控制。

该智能窗户的打开和关闭由直流伺服电动机驱动。直流伺服电动机正转则打开窗户，逆转则关闭窗户。用接近开关来检测窗户是否完全打开或关闭，接近开关检测到时PLC就会使电动机停止转动。直流伺服电动机的动作由PLC控制，PLC除了接收短信息外，还可以接收以下形式的输入信号：按钮信号、接近开关信号；传感器产生的信号。

硬件电路设计部分包括：

(1)传感器电路：搭建传感器与PLC的连接电路，将传感器的输出信号与PLC的输入端子相连，当传感器感知到雨水时能够输出一个信号，使PLC调用窗户控制程序关闭窗户。

(2)按键和接近开关：设计电路使按键或接近开关导通时，有开关量输入信号加到PLC的输入端口上。

(3)电机驱动电路设计：设计电路，PLC可以控制其正反转，实现关窗和开窗的功能。

一、窗户结构设计

本系统是针对推拉式窗户而设计的，因为整个窗户是由电动机来控制的，电动机过大那么会给安装带来不便，因此整个设计以简易、轻便为原则。窗户设计的关键是窗户的上下两部分。窗户的下方的槽子为方型，内部有个圆弧形的轨道，窗户在这轨道里运动。窗户下面部分是一排滚筒，形状如图。滚筒可以转动，滚筒的轴与窗户体相连构成一个整体，在圆弧形轨道上运动。当电动机反转时，电动机带动皮带，继而皮带带动窗户沿着槽子往右运动：当电动机正转时则窗户沿着槽往左运动。

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二、硬件电路设计 (一)传感器电路设计

窗户控制部分应该能自动判断下雨，因此我们选用雨水传感器感知雨水。通过查资料，我们选用的雨水传感器为SSM-002型雨滴传感器。该雨滴传感器是采用日本进口的特殊电子浆料和先进的厚膜技术制作的专门用于检测雨滴的一种新型传感元件，正好适于我们的需要。当没有下雨时雨滴传感器的电阻为无穷大即不导通，相当于断路；当下雨时，雨水落在雨水传感器上时，导通，此时三极管也导通工作，从而给PLC输入端子一个信号，使PLC调用窗户控制程序关闭窗户。 (二)接近开关电路设计部分

电机驱动窗户运动后，当窗户完全打开或者完全关闭时PLC应该获得一个信号，这个信号应能使PLC使电动机停止转动，从而达到控制的功能，否则既会损坏电机也会对窗户和墙壁产生很大的冲力。经过查阅资料选用接近开关来实现这个功能。接近开关有两类：一类电感式接近开关，一类是电容式接近开关。

电容式接近开关可以检测任何物体且检测距离比电感式的大的多，但价格比电感式的贵。目前家庭用的窗户外边框一般是金属的，从经济实用角度考虑，选用电感式接近开关。本次设计的接近开关的工作电压是1-30VDC，选用12VDC电源供电。因为接近开关是一种开关量输出的位置传感器，所以将该接近开关的开关量输出信号与PLC的输入端子相连，通过接近开关给FLC输入端子的开关量信号，控制电动机停止转动，从而达到对窗户运动的控制。 (三)按钮电路设计

这部分电路要实现的功能如下：主人在家走到窗户前时，可以按下开窗按钮或关窗来打开或关闭窗户，而且可以开合到任意位置，这对于PLC控制是比较容易实现的。当有开关量输入信号加到PLC的输入端口上时，PLC控制电动机的转动或停止，由于窗户的开合是由电机旋转带动的，因此PLC控制电机的转或停，就可以实现窗户的打开或关闭，而且可以随主人的意愿开合到任意位置。 (四)电机的选择与控制电路

(1)电动机的选定

在市场调研中发现达到同等要求，交流电动机要比直流电动机价格更高些。因此本设计中选用直流伺服电机。开关窗户的要求如下：窗户宽L1=75cm，窗户质量m=10Kg，窗户与轨道的摩擦系数为u=0.2，要求4秒钟窗户走完整行程，即速度为11.25m/min。皮带轮的直径为D=15mm，则该窗户的滑动所需的转矩为

M=μmgD/2=1.5Kg.cm

根据这个力矩要求，最终选定的电动机的轴直径为6mm，电机的转速n为240r/min，输出转矩为2Kg.cm，输出功率3.3W，额定工作电流为100mA。由此知道电机轴的周长为

L=2πr=18.84mm

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要使窗户在4s内走完75cm行程，则电机转数应为n1=600r/min。 (2)电机的控制电路设计

电机的工作电流大约是O.1A，由于我们所选用的PLC型号为三菱FX2n，它的输出为继电器输出，对于AC250V以下的电路电压，可以驱动纯电阻负载的输出电流为2A/点，因此可以用三菱FX2n的PLC的输出点直接来驱动我们所选用的电机。

窗户的开关由电机的正反转来控制。PLC的一个输出端子只能控制电机一个方向的转动，因此必须选用两个输出端子来控制电机，以达到通过PLC的输出端子来控制电机的正反转，从而来实现窗户的打开和关闭。

第六节 防盗报警模块的设计

这部分是针对家庭用的短消息报警模块，这套子系统借助了PLC强大的控制功能及最可靠、最成熟的GSM移动网络，以直观的中文短消息形式，直接把报警信息反映到的手机屏幕上。和目前市场上常见的电话报警系统的区别在于：脱离有线电话的常见报警模式。这里介绍的系统采用的GSM移动网络是很难被破坏的。还有采用电话拨号报警时，如果主人正好在使用电话时，是不能接收到报警信息的，有时会延误警情，造成重大损失。但是短消息却没有这个缺点，即使主人正在使用手机，也能在通话中及时收到报警短消息。

防盗报警模块的功能要求如下：人外出或者夜间休息时将防盗系统打开。当有人入侵时能感知，并发送报警信息到主人手机。防盗系统的打开有两种方式：一种手动(按钮)设防；一种通过发送短信息设防。

该系统以PLC为控制中心，主要包括设防电路部分，人体传感器电路部分、串口通信电路部分等。系统采用PLC控制人体传感器的电源的通断来控制系统是否设防的。当设防按钮被按下时，人体传感器上电，防盗系统工作：当关闭按钮被按下时，防盗系统关闭，这适于用户在家时使用。当用户不在家时可以发送短信息设防，主控PLC利用串口通讯接收GSM短信息模块中的用户短信息，并解释短信息，然后控制防盗系统执行相应的动作。防盗系统启动时，当有人入侵时，人体传感器检测到后防盗系统就发送短信息到用户手机报警。人体红外控制器感知小偷的入侵。它的敏感元件是热释电红外线传感器，该传感器能以非接触形式检测出入体辐射的红外线能量变化，如果有小偷进入热释电红外线传感器将会有信号输出，PLC接收到输入信号将启动设防电路。

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第四章 基于PLC的远程监控系统的程序设计

第一节 发送短消息的GSM07系列协议简介

目前SMS(短消息服务)协议的最新版本是GSM07系列协议，它规定了短消息传送的信道分配、编码规则、标准AT指令集等内容。短消息业务与话音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，在GSM07协议中规定它通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息量限制为140个八位组(7比特编码，160个字符)。

GSM引擎模块提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。GSM07.07中定义的AT Command接口提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示消息，数据终端设备可以向GSM模块发送各种命令。与SMS有关的GSM AT指令如下表。

GSM07.05协议中定义了短消息发送的3个模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接口传送SMS短消息，即块模式(Block Mode)，文本模式(Text Mode)和PDU模式(PDU Mode)。

块模式(Block Mode)：块模式是用来封装GSM3.40中定义的SMS PDU的二进制协议。应用被要求从手机到中心台时，可以使用块模式中的许多功能：发送短消息、删除来自手机短消息、在手机上列出短消息、从电话到应用传送所有或一条短消息、开启电话使得每次短消息到达对应用都可以被通知到。

文本模式(Text Mode)：文本模式是基于字符的协议，该协议基于为GSM修改的AT命令集。该模式适用于非智能终端和仿真器，以及构建于命令结构上的应用软件。应用将消息按简单文本传递到手机组成TPDU。文本模式不需支持或自动传送到达消息给应用，而仅仅是通知消息到达。

PDU模式(PDU Mode)：PDU模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息TPDU的任务留给应用完成。该模式使AT命令能方便地组构更多复杂的PDU，例如既可以传递二进制数据又可以传送字符数据。

目前发送短消息常用的有Text和PDU模式。使用Text模式收发短信代码简单，实现

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起来十分容易，但是最大的缺点是不能收发中文短信，而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。

第二节 程序设计

一、 PLC主程序设计

当系统上电时，PLC软件运行主程序，其流程如图4-1所示。主程序首先完成对PLC及GSM短信息模块的初始化，即设定堆栈、波特率、初始化各数据寄存器单元的值；然后采用查询方式对GSM短信息模块进行查询，如果GSM模块收到用户短信，则通过串口进行数据传输，这部分程序以子程序方式给出，要进行串行通讯时，可直接调用，然后根据数据寄存器单元的值判断应该执行什么动作，之后进入相应的程序，执行操作。

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开始对GSM短信息模块进行初始化PLC初始化设定堆栈、波特率初始化各数据寄存器N对GSM模块进行查询是否收到短信？YND82=22H?进行数据传输Y数据传输完？NY读数据寄存器内容关窗NYD82=33H?停止NN调用状态查询子程序Y返回设防Y报警调用短信息发送子程序D72=88?YD82=11H?返回Y开窗调用电机控制程序D24=“1”?D82=44H?Y

图4-1 主程序流程图

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二、初始化程序

这部分包括PLC的初始化和GSM短信息模块的初始化。PLC的初始化包括即设定堆栈、波特率、初始化各数据寄存器单元的值；GSM短信息模块的初始化要在它处于复位状态下开始，先写入方式控制字，以决定通信方式，传送的数据位数，校验方式等。若是同步方式则紧跟着写入一个或两个同步字符，若是异步方式则这步可以省略，最后写入命令字。GSM短信息模块采用异步串行全双工通信方式，传输波特率为9600，数据长度8位，无奇偶校验，1个停止位。PLC的初始化程序流程图及GSM短信息模块见图4-2和图4-3所示。

PLC上电设定堆栈波特率初始化各数据寄存器单元N对GSM模块进行查询是否收到短信？ YN进行数据传输数据传输完否？Y执行相应的控制程序

图4-2 PLC初始化程序流程图

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GSM模块复位设定传输波特率数据长度有无奇偶校验位停止位Y写入方式控制字写入命令字内部复位吗？YNN与PLC传输数据数据传输完否？

图4-3 GSM短信息模块初始化程序流程图

三、PLC对PDU模式的短消息接收和发送

当GSM短信息模块接收到短信息后，PLC利用查询方式查询到GSM短信息模块接收到短信息就会向GSM模块写入命令控制字，使GSM短信息模块通过串口数据线将短信息数据传送给PLC。同样，当PLC要向用户手机发送短信息时，PLC将数据通过串行口发送给GSM短信息模块，之后GSM短信息模块再将数据传给用户手机。

PLC接收短信息的流程是：GSM短信息模块收到手机发送的控制命令短信息后，PLC通过串口中断方式查询到有新的短信息，然后通过GSM AT命令读取短信息后，将接收到的命令短信息转化为PLC的控制动作，控制各个子功能模块，实现用户的家居远程控制命令。

PLC的整个短信息接收程序的流程图，如图4-4所示

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开始读串口消息新消息提示？N数据、命令？N向串口写读命令Y“>”?解析数据、命令Y向串口写命令或数据按命令执行PLC输出重新发送向串口写删除短消息

图4-4 PLC短消息接收程序流程图

发送短消息时，与接收短信息的流程相似，GSM短信息模块收到手机发送的查询短信息后，PLC通过串口中断方式查询到有新的短信息，用GSM AT命令读取到查询短信息后，然后将室内家居的状态再通过GSM AT命令，从GSM短信息模块发送至用户手机。流程图如图4-5所示

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开始读串口消息新消息提示？N数据、命令？N向串口写读命令Y“>”?解析数据、命令Y向串口写命令或数据按命令执行状态查询重新发送向串口写状态短消息PLC短消息发送程序流程图

四、子功能模块程序设计 (一)窗户控制模块程序设计

数据寄存器的单元分配如表4-1所示

数据寄存器 作 用 D71 发送数据的长度(串口通信) D72-D75 存放要发送的数据(串口通信) D81 接收数据块的长度(串口通信) D82-D85 存放接收的数据(串口通信) 表4-1 寄存器单元分配表

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图4-5

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PLC数据寄存器单元设定：

根据短信息的内容给数据寄存器单元D82-D85内，赋予不同值，如表4-2所示：

D82-D85内容 开窗 11H 关窗 22H 停止开或关窗 33H 设防 44H 表4-2 寄存器的单元赋值

这部分程序包括PLC主程序、串行中断服务子程序，串口子程序，开窗、关窗、停止开或关窗子程序。主程序中完成开窗、关窗、停止关或开窗指令的查询、输出端子状态查询。串行中断服务子程序，串口子程序如前所述，完成该模块与PLC的通信。

PLC接收到传送过来的短信息后，存放在数据寄存器D82-D85中。数据寄存器的内容若为l1H，表示用户要求打开窗户；为22H表示关窗，为33H表示停止关或开窗户，然后执行相应的动作。雨水传感器的信号，两个接近开关的信号、按钮信号、遥控器分别接到PLC的输入端子上；这些信号为高电平时有效。主程序不断的对这些输入端子查询执行相应的指令。窗户模块程序流程图如图4-6所示。

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开始设堆栈设波特率X004=“1”？初始化各数据寄存器单元Y调用开窗子程序N判断D82-D85内容是否相同YX005=“1”？D82=11H?ND82=22H?ND82=33H?Y调用停止子程序NYYY调用停止子程序N调用开窗子程序调用关窗子程序NX006=“1”？X001=“1”？调用串口子程序要求重传YY调用关窗子程序N调用开窗子程序N返回X007=“1”？X002=“1”?NY调用关窗子程序YN调用停止子程序X010=“1”？X003=“1”?NY调用停窗子程序Y调用停止子程序结束

图4-6 窗户模块程序流程图

(二)报警模块程序设计

报警模块主要完成两个功能：一个是完成设防功能，一个是报警功能。通过控制该模块电源的通断来控制防盗报警模块的启动和关闭。电源的通断的控制有两种方法：一种是通过硬件电路即按钮来实现，硬件电路中设计了两个按钮，一个是设防按钮，一个

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是关闭按钮。一种通过PLC软件来实现。设防按钮信号接在PLC的输入端子X011；关闭按钮信号接在PLC的输入端子X0l2；人体红外传感器信号接到PLC的输入端子XOl3，当按钮按下，或传感器检测到有小偷进入时，X011，X012，X013脚都为高电平。数据寄存器单元的分配如表4-3所示

数据寄存器 D71 D72-D75 D81 D82-D85 作 用 发送数据块的长度(串口通信) 存放要发送的数据(串口通信) 接收数据块的长度(串口通信) 存放接收的数据(串口通信) 表 4-3 数据寄存器的单元分配表

在程序中查询PLC数据寄存器单元D82-D85，如果单元内容为44H，则表示用户想启动该防盗系统，程序调用设防予程序，在设防子程序中置位X0l4，启动该系统。在程序中不断的查询X0l3，为高电平表示有小偷进入，往发送数据寄存器单元D72-D75写入88H，然后调用串行口子程序，将D72-D75数据寄存器单元的数据发送给PLC。报警模块程序流程图如图4-7所示

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开始设堆栈设波特率初始化各数据寄存器单元判断D82-D85内容是否相同？NYD82=44H?调用串口发送子程序要求重传Y调用设防子程序N返回X011=“1”?Y调用设防子程序NX012=“1”？NY调用关闭子程序警模块程序流程图

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X013=“1”？Y调用串口N发送子程序串口发送子程序设防子程序关闭子程序结束图4-7 报

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第五章 结论与展望

第一节 结论

本文设计了基于PLC的手机短信远程监控系统，将PLC控制与手机短信相结合，实现了手机对PLC的远程控制、状态查询、信息采集及PLC给手机的信息发送、触发报告等功能，本文主要阐述了基于PLC的手机短信远程监控系统在家居环境远程监控方面的应用，以实现家居智能化，主要着手设计了基于PLC的手机短信家居远程监控系统。本文主要完成了以下工作：

(1)完成了基于PLC的手机短信家居远程监控系统总体方案设计。确定了该系统的整体构架以及功能要求。整个系统包括PLC主控单元、窗户控制单元、报警单元等。

(2)根据整个系统的功能要求，对所需元器件进行选择，确定以三菱FX2n-232 PLC为核心控制器件。完成了对GSM短信息主控模块电路以及窗户控制功能子模块、报警子模块电路的设计。

(3)为在具体环境中验证该系统的功能，设计了一个简易、轻便推拉式窗户结构，窗户的动作由电动机进行控制。’

(4)通过对程序的整体规划，确定了PLC作状态，并根据系统的功能要求，编制了相应的系统软件。系统软件主要包括主控PLC程序、各子功能模块程序两大部分。主控PLC程序主要完成短信息的接收、处理和发送。各子功能模块程序执行相应的命令，并完成各既定功能。

(5)在完成了系统方案的拟订，硬件电路设计和软件编程的基础上，对系统进行调试。首先以PC机为试验平台，进行模拟试验，进行了短信息发送与接收的试验调试，以及对整个PLC控制系统进行功能调试，并就试验中遇到的问题给予分析、解决，证实了系统的可行性。然后接入GSM短信息模块进行实际调试，实际调试中通过SMS短信息对家居设备进行远程监控的功能能够实现。

本文创新点在于：一是采用GSM网络的SMS来完成远程设备与控制中心的通信，GSM网络覆盖范围广，实现远程家居设备的实时监控时具有不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势。二是选定PLC作为控制器件，与单片机相比较PLC具有可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少的优点。

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第二节 展望

系统在实际调试中还有问题存在，因此要继续进行程序结构优化，使系统运行可靠。本设计中只对部分功能单元进行来设计而且功能有限，因此首先要对各功能单元功能进行完善，其次完成其他各功能单元的设计。

本设计只是智能家居远程监控中的小部分，目前很多公司都在致力于智能家居的研究，智能家居的发展趋势如下：

(1)安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。

(2)消费电子产品的智能控制：例如可以自动控制加热时间、加热温度的微波炉，可以自动调节温度、湿度的智能空调，可以根据指令自动搜索电视节目并摄录的电视机／录像机等等。

(3)交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器(如温度、声音、动作等)实现智能信息家电的主动性动作响应。用户还可以自己定义不同场景智能信息家电的响应。例如你可以在短信息里告诉智能家居控制器：“晚上6点把后门的灯打开，并把空调设定到26度。”希望能不断拓展基于PLC的手机短信智能家居远程监控系统的功能，并且能有技术成熟、价格便宜的智能家居远程监控系统进入平常百姓家庭，方便人们的日常生活。我相信随着智能家居技术的发展，以及产品价格的下降，我国的智能家居监控系统将会全面普及，开始走进普通居民的日常家居中，智能家居将不再遥不可及。

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参考文献

1) 黄维通.《Visual C++面向对象与可视化程序设计》[M].北京：清华大学出版社，1997. 2) 尹立民.《Visual C++软件项目开发实例》[M].北京：电子工业出版社，2004. 3) 《电脑编程技巧与维护》杂志社.《Visual C/C++编程精选集锦（网络与通信分册)》

[M]．北京：科学出版社，2003.

4) 甘永梅.《现场总线技术及其应用》[M].北京：机械工业出版社，2004. 5) 汪令江.《奇思妙想编程序（VC篇）》[M].北京：国防工业出版社，2004.

6) Kruse（美）著，钱丽萍译.《C++数据结构与程序设计?[M].北京：清华大学出版社，2003. 7) Prata（美）著，孙建春译.《C++ Primer Plus：第五版》[M].北京：人民邮电出版社，

2005.

8) Pender.R（美），苏剑.《标准C++编程宝典》[M].北京：电子工业出版社，2005. 9) 钱能.《C++程序设计教程》[M].北京：清华大学出版社，1999.

10) Shiflet著，夏兆彦译.《C++程序设计（含选读内容和实验指导）》[M].北京：清华大

学出版社，2004. 11) 丁展，刘海英.《Visual C++网络通信编程实用案例精选》[M].北京：人民邮电出版社，

2004.

12) 求是科技，李现勇.《Visual C++串口通信技术与工程实践（第二版）》[M].北京：人

民邮电出版社，2004.7.

13) 求是科技.《Visual C++6.0程序设计与开发技术大全》[M].北京：人民邮电出版社，

2004.9

14) 刘晓华.《精通MFC》.北京：电子工业出版社，2003.9.

15) Charles Wright著，邓励生译.《Visual C++程序员实用大全（精华版）》[M].北京：

中国水利水电出版社，2005.

16) 李鹏.《计算机通信技术及其程序设计》[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2002. 17) 侯俊杰.《深入浅出MFC》[M].湖北：华中科技大学出版社，2001. 18) David J.kruglinki .《VC++技术内幕》[M.北京：清华大学出版社，2001. 19) 肖世杰.《构建中国智能电网技术思考》[J].电力系统自动化.2009,33(9):1-4. 20) 常康,薛峰,杨卫东.《中国智能电网基本特征及其技术进展评述》[J].电力系统自动

化.2009,33(17):10-15.

21) ]姚建国,严胜,杨胜春,等.《中国特色智能调度的实践与展望》[J].电力系统自动

化.2009,33(17):16-20.

22) 龚成明,於益军,梁小鹏.《旁路代的识别算法.江苏电机工程》[J].2004,23(4):10-12. 23) 许先锋,龚成明,杜红卫,等.《EMS中系统拓扑五防的设计和实现》[J].电网技

术.2006,30(增 刊):76-79.

24) 林昌年,杨选怀,袁志雄,等.《变电培训仿真系统》[A].1998年全国电力系统自动化学

- 33 -

新疆工程学院机械系机械一体化13-2

术研讨会论文集[C],1998.

25) 张东英,葛亮,杨以涵,等.《500 kV综合自动化变电站仿真培训系统的实现》[J].电网

技术, 2001,25(6):64-67.

26) 张永翔,段少辉,杨卫东,等.《深圳供电局变电培训仿真系统》[J].电网技

术,2000,24(1):16-18.

27) 王邦志,林昌年,蒲天骄,杨选怀,周健真.《变电站集中监控仿真培训系统的设计与实现》

[J].电网技术,2004.28(15):21-24.

28) 王邦志，林昌年，蒲天骄，等．《变电站集中监控仿真培训系统的设计与实现》[J]．电

网技术，2004，15(28)：21-24．

29) 盛兆俊,刘观起,张萍,等.《基于远程技术的变电站仿真培训系统》[J].浙江电

力,2003(5）：26-28.

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致 谢

本文是在贾黎善老师的细心指导下完成的，论文的选题、定稿和实验条件的提供都离不开导师的指导和帮助。导师从各个方面给予我仔细的指导和更正，使我顺利完成了论文的撰写。贾老师在学习上给予我深切的关怀和细致的指导，导师渊博的学识，求实的治学态度，严谨的工作作风，锐意创新的科研精神，为人师表的敬业精神永远都是学生的榜样。值此论文完成之际，我特别向敬爱的贾老师致以崇高的敬意和衷心的谢意！

同时，我要感谢我的同学们，他们在生活和学习中给我的关心和帮助。 在此，谨向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意！

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