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網絡和ZigBee無線通信技術的遠程油閥控制系統技術方案。此方案完全滿足遠程無線油閥控制的迫切需要，促進油閥控制系統自動化的發展，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　系統總體結構

　　遠程油閥控制系統總體結構如圖1所示。遠程油閥控制系統由中心控制室、GPRS無線數傳模塊、ZigBee無線信號收發模塊和執行器模塊4部分組成。其中，中心控制室由中央監控計算機、運行參數采集系統、顯示系統以及報警系統組成；GPRS無線數傳模塊采用的是Motorola公司生產的G24無線通信模塊；ZigBee無線信號收發模塊采用的是Chipcon公司生產的CC2430芯片；執行器模塊采用的是兩相混合式步進電機。

　　圖1　系統總體結構

　　系統通過中央監控計算機發送控制命令包給GPRS網絡發送模塊，GPRS網絡發送模塊把命令轉發到遠程的GPRS網絡接收模塊，GPRS網絡接收模塊再把控制命令通過串口發送到ZigBee的協調器上，協調器把各個閥門的控制命令發送到相應的ZigBee路由器模塊上。最后，ZigBee的終端模塊根據得到的命令發脈沖給步進電機驅動電路，從而控制步進電機的旋轉。電機和旋轉閥門連接在一起，這樣電機的旋轉將帶動閥門旋轉從而控制流量。

　　2　系統硬件設計

　　2.1　GPRS傳輸模塊

　　GPRS無線數傳模塊是ZigBee無線信號收發模塊和中央監控計算機之間命令傳輸的橋梁。中心控制室可以通過微波監控各站得到系統主要的運行參數和狀態，以及各管路運行情況的變化。中央監控計算機根據這些參數或報警信號提出合理的處理方案，調度人員分析判斷后下達指令調整運行參數。這些調整參數就是通過GPRS遠程輸送到ZigBee網絡的協調器上。

　　圖2　GPRS無線數傳模塊硬件框圖

　　GPRS無線數傳模塊的硬件框圖如圖2所示。

　　綜合本系統的遠程無線通信要求，GPRS選用的是Motorola公司生產的G24模塊。G24模塊是一款高速的GSM/GPRS/EDGE模塊，支持850/900/1800/1900 MHz四種頻率。其中，850/900 MHz頻段的功耗為2 W，1800/1900 MHz的頻段功耗為1 W。自動波特率范圍為300 b/s~115 kb/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境中。

　　2.2　ZigBee無線信號收發模塊

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術［2］。以 IEEE 802.15.4為標準，ZigBee網絡由1個協調器、1個或多個路由及終端設備組成。每一個網絡必須有1個協調器，它是整個網絡的核心，負責建立網絡并保存其他網絡節點的地址建立地址表；路由節點提供接力作用，擴展無線傳輸的距離；終端設備實現具體的功能。ZigBee網絡一般支持3種拓撲結構：星型、樹型和網狀型［35］。本系統微控制器采用符合ZigBee技術的2.4 GHz射頻系統單芯片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?2 μΑ，在32 kHz晶振頻率下運行時電流消耗也小于1 μΑ，使用小型電池壽命可長達10年［6］。由于CC2430將8051內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中，簡化了電路的設計過程，縮短了研發周期。該模塊電路主要有JTAG調試模塊、電源模塊、指示模塊和電機控制接口4部分，它為實現節點程序的下載、在線調試等提供硬件接口。其硬件結構框圖如圖3所示。

　　圖3　ZigBee模塊硬件結構框圖

　　2.3　執行器模塊

　　步進電機是將脈沖信號轉換為角位移和線位移的開環控制元件，在非超載的情況下，電機的停止位置和轉速只取決于脈沖數和頻率，并且無累積誤差。這些優點使步進電機廣泛應用于速度和位置控制領域［7］。該系統采用了兩相混合步進電機。電機驅動電路由 L297和L298芯片組成。L297是步進電機控制器（包括環形分配器）， L298是雙H橋式驅動器。步進電動機驅動電路如圖4所示。

　　圖4　步進電機驅動電路

　　這種方式可用來驅動電壓為46 V、電流2.5 A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。