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)。
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。
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)
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
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。
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。
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
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
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。
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。
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