張相田，王益祥

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

張相田（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)和無線通信；王益祥（副教授），主要從事嵌入式系統(tǒng)與測(cè)控技術(shù)的研究與應(yīng)用開發(fā)。

引 言

國外新建的輸油管道多為全線集中控制設(shè)計(jì)，舊的管道系統(tǒng)也在不斷朝這個(gè)方向改進(jìn)。我國大部分輸油管道都建于20世紀(jì)70年代，控制系統(tǒng)與國外的先進(jìn)技術(shù)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(luò)和ZigBee無線通信技術(shù)的遠(yuǎn)程油閥控制系統(tǒng)技術(shù)方案。此方案完全滿足遠(yuǎn)程無線油閥控制的迫切需要，促進(jìn)油閥控制系統(tǒng)自動(dòng)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(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程油閥控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。遠(yuǎn)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(hào)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(jì)算機(jī)、運(yùn)行參數(shù)采集系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)組成；GPRS無線數(shù)傳模塊采用的是Motorola公司生產(chǎn)的G24無線通信模塊；ZigBee無線信號(hào)收發(fā)模塊采用的是Chipcon公司生產(chǎn)的CC2430芯片；執(zhí)行器模塊采用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。

系統(tǒng)通過中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送控制命令包給GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊，GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊把命令轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程的GPRS網(wǎng)絡(luò)接收模塊，GPRS網(wǎng)絡(luò)接收模塊再把控制命令通過串口發(fā)送到ZigBee的協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器把各個(gè)閥門的控制命令發(fā)送到相應(yīng)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從而控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。電機(jī)和旋轉(zhuǎn)閥門連接在一起，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)將帶動(dòng)閥門旋轉(zhuǎn)從而控制流量。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 GPRS傳輸模塊

GPRS無線數(shù)傳模塊是ZigBee無線信號(hào)收發(fā)模塊和中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間命令傳輸?shù)臉蛄?。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(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，以及各管路運(yùn)行情況的變化。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些參數(shù)或報(bào)警信號(hào)提出合理的處理方案，調(diào)度人員分析判斷后下達(dá)指令調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。這些調(diào)整參數(shù)就是通過GPRS遠(yuǎn)程輸送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器上。

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

圖2 GPRS無線數(shù)傳模塊硬件框圖

2.2 ZigBee無線信號(hào)收發(fā)模塊

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2］。以IEEE 802.15.4為標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)協(xié)調(diào)器、1個(gè)或多個(gè)路由及終端設(shè)備組成。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須有1個(gè)協(xié)調(diào)器，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并保存其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址建立地址表；路由節(jié)點(diǎn)提供接力作用，擴(kuò)展無線傳輸?shù)木嚯x；終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)具體的功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹型和網(wǎng)狀型［3－5］。本系統(tǒng)微控制器采用符合ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片CC2430無線單片機(jī)。

CC2430單片機(jī)功耗非常低，待機(jī)時(shí)電流消耗僅為0.2μΑ，在32kHz晶振頻率下運(yùn)行時(shí)電流消耗也小于1μΑ，使用小型電池壽命可長達(dá)10年［6］。由于CC2430將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個(gè)芯片當(dāng)中，簡化了電路的設(shè)計(jì)過程，縮短了研發(fā)周期。該模塊電路主要有JTAG調(diào)試模塊、電源模塊、指示模塊和電機(jī)控制接口4部分，它為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)程序的下載、在線調(diào)試等提供硬件接口。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.3 執(zhí)行器模塊

圖3 ZigBee模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)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(jī)的停止位置和轉(zhuǎn)速只取決于脈沖數(shù)和頻率，并且無累積誤差。這些優(yōu)點(diǎn)使步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于速度和位置控制領(lǐng)域［7］。該系統(tǒng)采用了兩相混合步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由L297和L298芯片組成。L297是步進(jìn)電機(jī)控制器（包括環(huán)形分配器），L298是雙H橋式驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

這種方式可用來驅(qū)動(dòng)電壓為46V、電流2.5A以下的步進(jìn)電機(jī)。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(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。另外，L297和L298都是獨(dú)立的芯片，所以應(yīng)用是十分靈活的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 GPRS傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

本模塊采用GPRS無線通信模塊G24實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，重點(diǎn)解決監(jiān)控中心與ZigBee協(xié)調(diào)器之間的通信問題。GPRS無線通信模塊G24通過AT指令來進(jìn)行相應(yīng)的控制，數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)置TCP／IP發(fā)送控制命令。GPRS可以在其有效的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)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(hào)建立連接［8］。GPRS的這種工作機(jī)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(shè)計(jì)部分可分為系統(tǒng)初始化模塊、網(wǎng)絡(luò)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(hào)收發(fā)模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線信號(hào)收發(fā)模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器ZC節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)［9］。協(xié)調(diào)器與GPRS接收模塊通過串口RS－232相連，并將各路由節(jié)點(diǎn)的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)下去。由于實(shí)際應(yīng)用中控制命令和各對(duì)應(yīng)的閥門對(duì)應(yīng)起來，這就要求各個(gè)路由器和終端設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后把自己的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表并存儲(chǔ)起來，以便控制命令準(zhǔn)確地發(fā)送到相應(yīng)閥上。協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程

3.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電后，ZigBee協(xié)調(diào)器建立和維護(hù)Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，各節(jié)點(diǎn)會(huì)按照入網(wǎng)的先后順序自動(dòng)獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，并將各網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器存儲(chǔ)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址并建立網(wǎng)絡(luò)表。當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)沒有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器默認(rèn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立完成并通過串口把各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址發(fā)給GPRS模塊。GPRS模塊同樣通過串口把節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)一步處理并保存。數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)置TCP／IP發(fā)送控制命令包方式，GPRS接收模塊會(huì)把接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器再把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，解析后把命令根據(jù)地址發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。通過這種方式上位機(jī)可以根據(jù)運(yùn)行參數(shù)及時(shí)地調(diào)整每一個(gè)油閥的流量。

結(jié) 語

本設(shè)計(jì)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(shù)的遠(yuǎn)程油閥自動(dòng)控制模式，從本質(zhì)上提升了輸油的效率和自動(dòng)化水平。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)油閥的不同分布靈活地構(gòu)建無線控制網(wǎng)絡(luò)，不需要人工的干預(yù)。此外，本系統(tǒng)還可以推廣到水閥、燃?xì)忾y和暖氣閥等的控制，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的前景。

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