基于GPRS和ZigBee的远程油阀控制系统
引言
国外新建的输油管道多为全线集中控制设计，旧的管道系统也在不断朝这个方向改进。我国大部分输油管道都建于20世纪70年代,控制系统与国外的先进技术有一定的差距。为了提高输油效率和改善工人的工作条件,迫切需要寻求一种无线控制的解决方案。
本文提出了一种基于GPRS网络和ZigBee无线通信技术的远程油阀控制系统技术方案。此方案完全满足远程无线油阀控制的迫切需要，促进油阀控制系统自动化的发展，并且该方案可以适用于其他阀的控制，例如天然气阀和暖气阀等。
1 系统总体结构
远程油阀控制系统总体结构如图1所示。远程油阀控制系统由中心控制室、GPRS无线数传模块、ZigBee无线信号收发模块和执行器模块4部分组成。其中，中心控制室由中央监控计算机、运行参数采集系统、显示系统以及报警系统组成；GPRS无线数传模块采用的是Motorola公司生产的G24无线通信模块；ZigBee无线信号收发模块采用的是Chipcon公司生产的CC2430芯片；执行器模块采用的是两相混合式步进电机。
图1 系统总体结构
系统通过中央监控计算机发送控制命令包给GPRS网络发送模块，GPRS网络发送模块把命令转发到远程的GPRS网络接收模块，GPRS网络接收模块再把控制命令通过串口发送到ZigBee的协调器上，协调器把各个阀门的控制命令发送到相应的ZigBee路由器模块上。最后，ZigBee的终端模块根据得到的命令发脉冲给步进电机驱动电路，从而控制步进电机的旋转。电机和旋转阀门连接在一起，这样电机的旋转将带动阀门旋转从而控制流量。
2 系统硬件设计
2.1 GPRS传输模块
GPRS无线数传模块是ZigBee无线信号收发模块和中央监控计算机之间命令传输的桥梁。中心控制室可以通过微波监控各站得到系统主要的运行参数和状态,以及各管路运行情况的变化。中央监控计算机根据这些参数或报警信号提出合理的处理方案,调度人员分析判断后下达指令调整运行参数。这些调整参数就是通过GPRS远程输送到ZigBee网络的协调器上。
图2 GPRS无线数传模块硬件框图
GPRS无线数传模块的硬件框图如图2所示。
综合本系统的远程无线通信要求，GPRS选用的是Motorola公司生产的G24模块。G24模块是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模块，支持850/900/1800/1900 MHz四种频率。其中，850/900 MHz频段的功耗为2 W，1800/1900 MHz的频段功耗为1 W。自动波特率范围为300 b/s~115 kb/s,由标准的AT指令控制[1]。G24模块和其外围电路匹配后完全可以进行远距离GPRS通信，而且可以工作于恶劣的环境中。
2.2 ZigBee无线信号收发模块
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术[2]。以 IEEE 802.15.4为标准,ZigBee网络由1个协调器、1个或多个路由及终端设备组成。每一个网络必须有1个协调器,它是整个网络的核心,负责建立网络并保存其他网络节点的地址建立地址表；路由节点提供接力作用,扩展无线传输的距离；终端设备实现具体的功能。ZigBee网络一般支持3种拓扑结构：星型、树型和网状型[35]。本系统微控制器采用符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片CC2430无线单片机。
CC2430单片机功耗非常低，待机时电流消耗仅为02 μΑ，在32 kHz晶振频率下运行时电流消耗也小于1 μΑ，使用小型电池寿命可长达10年[6]。由于CC2430将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，简化了电路的设计过程，缩短了研发周期。该模块电路主要有JTAG调试模块、电源模块、指示模块和电机控制接口4部分，它为实现节点程序的下载、在线调试等提供硬件接口。其硬件结构框图如图3所示。
图3 ZigBee模块硬件结构框图
2.3 执行器模块
步进电机是将脉冲信号转换为角位移和线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的停止位置和转速只取决于脉冲数和频率，并且无累积误差。这些优点使步进电机广泛应用于速度和位置控制领域[7]。该系统采用了两相混合步进电机。电机驱动电路由 L297和L298芯片组成。L297是步进电机控制器（包括环形分配器）， L298是双H桥式驱动器。步进电动机驱动电路如图4所示。
图4 步进电机驱动电路
这种方式可用来驱动电压为46 V、电流2.5 A以下的步进电机。这样可以减少元件从而使得装配成本低、可靠性高且占空间小，并且通过软件开发可以减轻微型计算机的负担。另外，L297和L298都是独立的芯片，所以应用是十分灵活的。
3 系统软件设计
3.1 GPRS传输模块软件设计
本模块采用GPRS无线通信模块G24实现远程数据通信，重点解决监控中心与ZigBee协调器之间的通信问题。GPRS无线通信模块G24通过AT指令来进行相应的控制，数据传输采用内置TCP/IP发送控制命令。GPRS可以在其有效的范围内实现即时收发数据，一旦有需求就可以立即发送或接收信息，不需要拨号建立连接[8]。GPRS的这种工作机制完全满足本控制系统的功能并方便软件开发，缩短了软件开发周期。
数传终端软件设计部分可分为系统初始化模块、网络建立模块、数据发送处理模块、数据接收处理模块和串口发送模块等。主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程
3.2 ZigBee无线信号收发模块软件设计
ZigBee无线信号收发模块软件设计主要包括协调器ZC节点软件设计和终端设备节点软件设计[9]。协调器与GPRS接收模块通过串口RS232相连，并将各路由节点的控制命令转发下去。由于实际应用中控制命令和各对应的阀门对应起来，这就要求各个路由器和终端设备在加入网络后把自己的网络地址发送给协调器，协调器接收到终端设备的网络地址后建立地址表并存储起来，以便控制命令准确地发送到相应阀上。协调器和终端设备节点程序流程如图6所示。
图6 协调器和终端设备节点程序流程
3.3 系统软件实现方案
当整个系统上电后，ZigBee协调器建立和维护 ZigBee网络的运行,各节点会按照入网的先后顺序自动获得一个网络地址，并将各网络地址发给协调器。协调器存储各网络节点的地址并建立网络表。当一定时间内没有新的节点加入网络时，协调器默认整个网络建立完成并通过串口把各个网络节点的地址发给GPRS模块。GPRS模块同样通过串口把节点的网络地址发给上位机，由上位机进一步处理并保存。数据传输采用内置TCP/IP发送控制命令包方式，GPRS接收模块会把接收到的数据通过串口发送给ZigBee网络的协调器。协调器再把接收到的数据进行解析，解析后把命令根据地址发送给相应的节点。通过这种方式上位机可以根据运行参数及时地调整每一个油阀的流量。
结语
本设计打破了传统的管道输油控制模式，采用基于GPRS和ZigBee无线通信技术的远程油阀自动控制模式，从本质上提升了输油的效率和自动化水平。在实际应用中，可根据油阀的不同分布灵活地构建无线控制网络，不需要人工的干预。此外，本系统还可以推广到水阀、燃气阀和暖气阀等的控制，在工业应用领域具有良好的前景。
国外新建的输油管道多为全线集中控制设计，旧的管道系统也在不断朝这个方向改进。我国大部分输油管道都建于20世纪70年代,控制系统与国外的先进技术有一定的差距。为了提高输油效率和改善工人的工作条件,迫切需要寻求一种无线控制的解决方案。
本文提出了一种基于GPRS网络和ZigBee无线通信技术的远程油阀控制系统技术方案。此方案完全满足远程无线油阀控制的迫切需要，促进油阀控制系统自动化的发展，并且该方案可以适用于其他阀的控制，例如天然气阀和暖气阀等。
1 系统总体结构
远程油阀控制系统总体结构如图1所示。远程油阀控制系统由中心控制室、GPRS无线数传模块、ZigBee无线信号收发模块和执行器模块4部分组成。其中，中心控制室由中央监控计算机、运行参数采集系统、显示系统以及报警系统组成；GPRS无线数传模块采用的是Motorola公司生产的G24无线通信模块；ZigBee无线信号收发模块采用的是Chipcon公司生产的CC2430芯片；执行器模块采用的是两相混合式步进电机。
图1 系统总体结构
系统通过中央监控计算机发送控制命令包给GPRS网络发送模块，GPRS网络发送模块把命令转发到远程的GPRS网络接收模块，GPRS网络接收模块再把控制命令通过串口发送到ZigBee的协调器上，协调器把各个阀门的控制命令发送到相应的ZigBee路由器模块上。最后，ZigBee的终端模块根据得到的命令发脉冲给步进电机驱动电路，从而控制步进电机的旋转。电机和旋转阀门连接在一起，这样电机的旋转将带动阀门旋转从而控制流量。
2 系统硬件设计
2.1 GPRS传输模块
GPRS无线数传模块是ZigBee无线信号收发模块和中央监控计算机之间命令传输的桥梁。中心控制室可以通过微波监控各站得到系统主要的运行参数和状态,以及各管路运行情况的变化。中央监控计算机根据这些参数或报警信号提出合理的处理方案,调度人员分析判断后下达指令调整运行参数。这些调整参数就是通过GPRS远程输送到ZigBee网络的协调器上。
图2 GPRS无线数传模块硬件框图
GPRS无线数传模块的硬件框图如图2所示。
综合本系统的远程无线通信要求，GPRS选用的是Motorola公司生产的G24模块。G24模块是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模块，支持850/900/1800/1900 MHz四种频率。其中，850/900 MHz频段的功耗为2 W，1800/1900 MHz的频段功耗为1 W。自动波特率范围为300 b/s~115 kb/s,由标准的AT指令控制[1]。G24模块和其外围电路匹配后完全可以进行远距离GPRS通信，而且可以工作于恶劣的环境中。
2.2 ZigBee无线信号收发模块
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术[2]。以 IEEE 802.15.4为标准,ZigBee网络由1个协调器、1个或多个路由及终端设备组成。每一个网络必须有1个协调器,它是整个网络的核心,负责建立网络并保存其他网络节点的地址建立地址表；路由节点提供接力作用,扩展无线传输的距离；终端设备实现具体的功能。ZigBee网络一般支持3种拓扑结构：星型、树型和网状型[35]。本系统微控制器采用符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片CC2430无线单片机。
CC2430单片机功耗非常低，待机时电流消耗仅为02 μΑ，在32 kHz晶振频率下运行时电流消耗也小于1 μΑ，使用小型电池寿命可长达10年[6]。由于CC2430将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，简化了电路的设计过程，缩短了研发周期。该模块电路主要有JTAG调试模块、电源模块、指示模块和电机控制接口4部分，它为实现节点程序的下载、在线调试等提供硬件接口。其硬件结构框图如图3所示。
图3 ZigBee模块硬件结构框图
2.3 执行器模块
步进电机是将脉冲信号转换为角位移和线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的停止位置和转速只取决于脉冲数和频率，并且无累积误差。这些优点使步进电机广泛应用于速度和位置控制领域[7]。该系统采用了两相混合步进电机。电机驱动电路由 L297和L298芯片组成。L297是步进电机控制器（包括环形分配器）， L298是双H桥式驱动器。步进电动机驱动电路如图4所示。
图4 步进电机驱动电路
这种方式可用来驱动电压为46 V、电流2.5 A以下的步进电机。这样可以减少元件从而使得装配成本低、可靠性高且占空间小，并且通过软件开发可以减轻微型计算机的负担。另外，L297和L298都是独立的芯片，所以应用是十分灵活的。
3 系统软件设计
3.1 GPRS传输模块软件设计
本模块采用GPRS无线通信模块G24实现远程数据通信，重点解决监控中心与ZigBee协调器之间的通信问题。GPRS无线通信模块G24通过AT指令来进行相应的控制，数据传输采用内置TCP/IP发送控制命令。GPRS可以在其有效的范围内实现即时收发数据，一旦有需求就可以立即发送或接收信息，不需要拨号建立连接[8]。GPRS的这种工作机制完全满足本控制系统的功能并方便软件开发，缩短了软件开发周期。
数传终端软件设计部分可分为系统初始化模块、网络建立模块、数据发送处理模块、数据接收处理模块和串口发送模块等。主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程
3.2 ZigBee无线信号收发模块软件设计
ZigBee无线信号收发模块软件设计主要包括协调器ZC节点软件设计和终端设备节点软件设计[9]。协调器与GPRS接收模块通过串口RS232相连，并将各路由节点的控制命令转发下去。由于实际应用中控制命令和各对应的阀门对应起来，这就要求各个路由器和终端设备在加入网络后把自己的网络地址发送给协调器，协调器接收到终端设备的网络地址后建立地址表并存储起来，以便控制命令准确地发送到相应阀上。协调器和终端设备节点程序流程如图6所示。
图6 协调器和终端设备节点程序流程
3.3 系统软件实现方案
当整个系统上电后，ZigBee协调器建立和维护 ZigBee网络的运行,各节点会按照入网的先后顺序自动获得一个网络地址，并将各网络地址发给协调器。协调器存储各网络节点的地址并建立网络表。当一定时间内没有新的节点加入网络时，协调器默认整个网络建立完成并通过串口把各个网络节点的地址发给GPRS模块。GPRS模块同样通过串口把节点的网络地址发给上位机，由上位机进一步处理并保存。数据传输采用内置TCP/IP发送控制命令包方式，GPRS接收模块会把接收到的数据通过串口发送给ZigBee网络的协调器。协调器再把接收到的数据进行解析，解析后把命令根据地址发送给相应的节点。通过这种方式上位机可以根据运行参数及时地调整每一个油阀的流量。
结语
本设计打破了传统的管道输油控制模式，采用基于GPRS和ZigBee无线通信技术的远程油阀自动控制模式，从本质上提升了输油的效率和自动化水平。在实际应用中，可根据油阀的不同分布灵活地构建无线控制网络，不需要人工的干预。此外，本系统还可以推广到水阀、燃气阀和暖气阀等的控制，在工业应用领域具有良好的前景。
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