基于GPRS和ZigBee的遠程油閥控制系統(tǒng)＊

張相田，王益祥

（南京理工大學 機械工程學院，南京 210094）

張相田（碩士研究生），主要研究領域為嵌入式系統(tǒng)設計和無線通信；王益祥（副教授），主要從事嵌入式系統(tǒng)與測控技術的研究與應用開發(fā)。

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(jié)構(gòu)

遠程油閥控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)的CC2430芯片；執(zhí)行器模塊采用的是兩相混合式步進電機。

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(zhuǎn)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(diào)器上，協(xié)調(diào)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(qū)動電路，從而控制步進電機的旋轉(zhuǎn)。電機和旋轉(zhuǎn)閥門連接在一起，這樣電機的旋轉(zhuǎn)將帶動閥門旋轉(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?。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(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(diào)度人員分析判斷后下達指令調(diào)整運行參數(shù)。這些調(diào)整參數(shù)就是通過GPRS遠程輸送到ZigBee網(wǎng)絡的協(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。自動波特率范圍為300b／s～115kb／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。

圖2 GPRS無線數(shù)傳模塊硬件框圖

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(diào)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(diào)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(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技術的2.4GHz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0.2μΑ，在32kHz晶振頻率下運行時電流消耗也小于1μΑ，使用小型電池壽命可長達10年［6］。由于CC2430將8051內(nèi)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(diào)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(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

步進電機是將脈沖信號轉(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(qū)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(qū)動器。步進電動機驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 步進電機驅(qū)動電路

這種方式可用來驅(qū)動電壓為46V、電流2.5A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(diào)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(nèi)置TCP／IP發(fā)送控制命令。GPRS可以在其有效的范圍內(nèi)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(diào)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(diào)器與GPRS接收模塊通過串口RS－232相連，并將各路由節(jié)點的控制命令轉(zhuǎn)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(diào)器，協(xié)調(diào)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(diào)器和終端設備節(jié)點程序流程如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)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(diào)器建立和維護Zig－Bee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(diào)器。協(xié)調(diào)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(nèi)沒有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡時，協(xié)調(diào)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(nèi)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(diào)器。協(xié)調(diào)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(diào)整每一個油閥的流量。

結(jié) 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(zhì)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(gòu)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。

［1］王益祥，牛江平.遠程無線抄表系統(tǒng)的研究［J］.自動化儀表，2011，32（3）：4－7.

［2］侯思磊，龔向東.基于ZigBee的溫室監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關設計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011（5）：74－76.

［3］王欽，陳忠輝，陳新.基于ZigBee的倉庫溫濕度采集系統(tǒng)的設計［J］.計算機與數(shù)字工程，2009，37（9）：207－211.

［4］劉青，宋立軍.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)研究［J］.電腦開發(fā)與應用，2008，21（6）：45－48.

［5］卿曉霞，王文章，王波.基于節(jié)點轉(zhuǎn)移的ZigBee網(wǎng)絡孤立點減免算法［J］.儀器儀表學報，2010，31（7）：1650－1656.

［6］王盛慧，鄧志東，裴忠良.無線傳感網(wǎng)絡室內(nèi)空氣污染物節(jié)點的硬件設計與實現(xiàn)［C］／／2007年中國智能自動化會議論文集.長沙：中南大學出版社，2007：52－55.

［7］童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［8］呂捷.GPRS技術［M］.北京：北京郵電大學出版社，2001.

［9］ZigBee Alliance.ZigBee specification version 1.0［EB／OL］.（2010－06－05）［2011－08］.http：www.zigbee.org.