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0?2 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。