引言

國外新建的輸油管道多為全線集中控制設計，舊的管道系統(tǒng)也在不斷朝這個方向改進。我國大部分輸油管道都建于20世紀70年代,控制系統(tǒng)與國外的先進技術有一定的差距。為了提高輸油效率和改善工人的工作條件,迫切需要尋求一種無線控制的解決方案。

本文提出了一種基于GPRS網(wǎng)絡和ZigBee無線通信技術的遠程油閥控制系統(tǒng)技術方案。此方案完全滿足遠程無線油閥控制的迫切需要，促進油閥控制系統(tǒng)自動化的發(fā)展，并且該方案可以適用于其他閥的控制，例如天然氣閥和暖氣閥等。

1　系統(tǒng)總體結構

遠程油閥控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示。遠程油閥控制系統(tǒng)由中心控制室、GPRS無線數(shù)傳模塊、ZigBee無線信號收發(fā)模塊和執(zhí)行器模塊4部分組成。其中，中心控制室由中央監(jiān)控計算機、運行參數(shù)采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)組成；GPRS無線數(shù)傳模塊采用的是Motorola公司生產的G24無線通信模塊；ZigBee無線信號收發(fā)模塊采用的是Chipcon公司生產的CC2430芯片；執(zhí)行器模塊采用的是兩相混合式步進電機。

圖1　系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)通過中央監(jiān)控計算機發(fā)送控制命令包給GPRS網(wǎng)絡發(fā)送模塊，GPRS網(wǎng)絡發(fā)送模塊把命令轉發(fā)到遠程的GPRS網(wǎng)絡接收模塊，GPRS網(wǎng)絡接收模塊再把控制命令通過串口發(fā)送到ZigBee的協(xié)調器上，協(xié)調器把各個閥門的控制命令發(fā)送到相應的ZigBee路由器模塊上。最后，ZigBee的終端模塊根據(jù)得到的命令發(fā)脈沖給步進電機驅動電路，從而控制步進電機的旋轉。電機和旋轉閥門連接在一起，這樣電機的旋轉將帶動閥門旋轉從而控制流量。

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1　GPRS傳輸模塊

GPRS無線數(shù)傳模塊是ZigBee無線信號收發(fā)模塊和中央監(jiān)控計算機之間命令傳輸?shù)臉蛄骸Ｖ行目刂剖铱梢酝ㄟ^微波監(jiān)控各站得到系統(tǒng)主要的運行參數(shù)和狀態(tài),以及各管路運行情況的變化。中央監(jiān)控計算機根據(jù)這些參數(shù)或報警信號提出合理的處理方案,調度人員分析判斷后下達指令調整運行參數(shù)。這些調整參數(shù)就是通過GPRS遠程輸送到ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器上。

圖2　GPRS無線數(shù)傳模塊硬件框圖

GPRS無線數(shù)傳模塊的硬件框圖如圖2所示。

綜合本系統(tǒng)的遠程無線通信要求，GPRS選用的是Motorola公司生產的G24模塊。G24模塊是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模塊，支持850/900/1800/1900 MHz四種頻率。其中，850/900 MHz頻段的功耗為2 W，1800/1900 MHz的頻段功耗為1 W。自動波特率范圍為300 b/s~115 kb/s,由標準的AT指令控制[1]。G24模塊和其外圍電路匹配后完全可以進行遠距離GPRS通信，而且可以工作于惡劣的環(huán)境中。

2.2　ZigBee無線信號收發(fā)模塊

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡技術[2]。以 IEEE 802.15.4為標準,ZigBee網(wǎng)絡由1個協(xié)調器、1個或多個路由及終端設備組成。每一個網(wǎng)絡必須有1個協(xié)調器,它是整個網(wǎng)絡的核心,負責建立網(wǎng)絡并保存其他網(wǎng)絡節(jié)點的地址建立地址表；路由節(jié)點提供接力作用,擴展無線傳輸?shù)木嚯x；終端設備實現(xiàn)具體的功能。ZigBee網(wǎng)絡一般支持3種拓撲結構：星型、樹型和網(wǎng)狀型[35]。本系統(tǒng)微控制器采用符合ZigBee技術的2.4 GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430無線單片機。

CC2430單片機功耗非常低，待機時電流消耗僅為0?2 μΑ，在32 kHz晶振頻率下運行時電流消耗也小于1 μΑ，使用小型電池壽命可長達10年[6]。由于CC2430將8051內核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當中，簡化了電路的設計過程，縮短了研發(fā)周期。該模塊電路主要有JTAG調試模塊、電源模塊、指示模塊和電機控制接口4部分，它為實現(xiàn)節(jié)點程序的下載、在線調試等提供硬件接口。其硬件結構框圖如圖3所示。

圖3　ZigBee模塊硬件結構框圖

2.3　執(zhí)行器模塊

步進電機是將脈沖信號轉換為角位移和線位移的開環(huán)控制元件，在非超載的情況下，電機的停止位置和轉速只取決于脈沖數(shù)和頻率，并且無累積誤差。這些優(yōu)點使步進電機廣泛應用于速度和位置控制領域[7]。該系統(tǒng)采用了兩相混合步進電機。電機驅動電路由 L297和L298芯片組成。L297是步進電機控制器（包括環(huán)形分配器）， L298是雙H橋式驅動器。步進電動機驅動電路如圖4所示。

圖4　步進電機驅動電路

這種方式可用來驅動電壓為46 V、電流2.5 A以下的步進電機。這樣可以減少元件從而使得裝配成本低、可靠性高且占空間小，并且通過軟件開發(fā)可以減輕微型計算機的負擔。另外，L297和L298都是獨立的芯片，所以應用是十分靈活的。

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1　GPRS傳輸模塊軟件設計

本模塊采用GPRS無線通信模塊G24實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信，重點解決監(jiān)控中心與ZigBee協(xié)調器之間的通信問題。GPRS無線通信模塊G24通過AT指令來進行相應的控制，數(shù)據(jù)傳輸采用內置TCP/IP發(fā)送控制命令。GPRS可以在其有效的范圍內實現(xiàn)即時收發(fā)數(shù)據(jù)，一旦有需求就可以立即發(fā)送或接收信息，不需要撥號建立連接[8]。GPRS的這種工作機制完全滿足本控制系統(tǒng)的功能并方便軟件開發(fā)，縮短了軟件開發(fā)周期。

數(shù)傳終端軟件設計部分可分為系統(tǒng)初始化模塊、網(wǎng)絡建立模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊、數(shù)據(jù)接收處理模塊和串口發(fā)送模塊等。主程序流程如圖5所示。

圖5　主程序流程

3.2　ZigBee無線信號收發(fā)模塊軟件設計

ZigBee無線信號收發(fā)模塊軟件設計主要包括協(xié)調器ZC節(jié)點軟件設計和終端設備節(jié)點軟件設計[9]。協(xié)調器與GPRS接收模塊通過串口RS232相連，并將各路由節(jié)點的控制命令轉發(fā)下去。由于實際應用中控制命令和各對應的閥門對應起來，這就要求各個路由器和終端設備在加入網(wǎng)絡后把自己的網(wǎng)絡地址發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器接收到終端設備的網(wǎng)絡地址后建立地址表并存儲起來，以便控制命令準確地發(fā)送到相應閥上。協(xié)調器和終端設備節(jié)點程序流程如圖6所示。

圖6　協(xié)調器和終端設備節(jié)點程序流程

3.3　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案

當整個系統(tǒng)上電后，ZigBee協(xié)調器建立和維護 ZigBee網(wǎng)絡的運行,各節(jié)點會按照入網(wǎng)的先后順序自動獲得一個網(wǎng)絡地址，并將各網(wǎng)絡地址發(fā)給協(xié)調器。協(xié)調器存儲各網(wǎng)絡節(jié)點的地址并建立網(wǎng)絡表。當一定時間內沒有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡時，協(xié)調器默認整個網(wǎng)絡建立完成并通過串口把各個網(wǎng)絡節(jié)點的地址發(fā)給GPRS模塊。GPRS模塊同樣通過串口把節(jié)點的網(wǎng)絡地址發(fā)給上位機，由上位機進一步處理并保存。數(shù)據(jù)傳輸采用內置TCP/IP發(fā)送控制命令包方式，GPRS接收模塊會把接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器。協(xié)調器再把接收到的數(shù)據(jù)進行解析，解析后把命令根據(jù)地址發(fā)送給相應的節(jié)點。通過這種方式上位機可以根據(jù)運行參數(shù)及時地調整每一個油閥的流量。

結語

本設計打破了傳統(tǒng)的管道輸油控制模式，采用基于GPRS和ZigBee無線通信技術的遠程油閥自動控制模式，從本質上提升了輸油的效率和自動化水平。在實際應用中，可根據(jù)油閥的不同分布靈活地構建無線控制網(wǎng)絡，不需要人工的干預。此外，本系統(tǒng)還可以推廣到水閥、燃氣閥和暖氣閥等的控制，在工業(yè)應用領域具有良好的前景。