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、運行參數采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)組成；GPRS無線數傳模塊采用的是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網絡發(fā)送模塊，GPRS網絡發(fā)送模塊把命令轉發(fā)到遠程的GPRS網絡接收模塊，GPRS網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的橋梁。中心控制室可以通過微波監(jiān)控各站得到系統(tǒng)主要的運行參數和狀態(tài),以及各管路運行情況的變化。中央監(jiān)控計算機根據這些參數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。這些調整參數就是通過GPRS遠程輸送到ZigBee網絡的協(xié)調器上。

圖2　GPRS無線數傳模塊硬件框圖

GPRS無線數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、低成本的無線網絡技術[2]。以 IEEE 802.15.4為標準,ZigBee網絡由1個協(xié)調器、1個或多個路由及終端設備組成。每一個網絡必須有1個協(xié)調器,它是整個網絡的核心,負責建立網絡并保存其他網絡節(jié)點的地址建立地址表；路由節(jié)點提供接力作用,擴展無線傳輸的距離；終端設備實現具體的功能。ZigBee網絡一般支持3種拓撲結構：星型、樹型和網狀型[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實現遠程數據通信，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，數據傳輸采用內置TCP/IP發(fā)送控制命令。GPRS可以在其有效的范圍內實現即時收發(fā)數據，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。

數傳終端軟件設計部分可分為系統(tǒng)初始化模塊、網絡建立模塊、數據發(fā)送處理模塊、數據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絡后把自己的網絡地址發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器接收到終端設備的網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)軟件實現方案

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