基于GPRS技術的遠程互相關流量測控系統

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

流量的測量與控制越來越多地應用于石油化工、生活供水和工業生產等領域。超聲波流量計由于本身的諸多優點被廣泛地應用于各種流量測量領域[1]。傳統的手抄式超聲波流量計已經不能滿足要求，如測量點分布離散、現場環境惡劣及人不能接近測量等情況。雖然隨后出現了基于電話線網、互聯網和GSM等數據采集方式的流量計，但這些方式仍存在許多不足，如效率太低、成本太高或覆蓋面不廣、不能實時地將流量信息發送到客戶端等一系列缺陷。此外流量測量算法的選擇、遠程通信鏈路的建立及網絡通信協議的應用等方面還有待改進。

近年來，GPRS在無線數據業務領域的優勢越來越明顯，為GSM系統在無線數據業務領域開辟了廣泛的應用前景，GPRS業務被越來越廣泛地應用于各種領域[2]。根據目前流量測控技術的要求，結合遠程通信和流量控制技術，設計了一種基于GPRS的遠程流量監控系統。該系統為遠程流量的測量與控制提供了一種新的方法。

1 基于GPRS的遠程流量測控系統組成

根據流量測控儀表傳輸資料量不大和對實時性要求高等特點，GPRS非常適合應用于遠程流量測量與控制的數據傳輸。本系統設計的流量遠程監控主要由監控中心和現場監控終端兩部分組成，遠程流量測控系統結構圖如圖1所示。

圖1 遠程流量測控系統結構圖

系統中的各個流量測控單元通過GPRS無線數據終端接入GPRS網絡，GPRS網絡再連接到Internet。這樣用一臺分配有固定IP并連接到Internet的計算機配合相關軟件，就可以實現對各單元的流量測量與控制。各個現場單元不僅需要有相應的流量測量和控制功能，而且需要能夠與GPRS數據終端進行數據交換。

系統的工作過程具體如下。

當測控終端和管理中心計算機建立連接后，管理中心可以向各個測控終端發出數據采集、瞬時流量采集、余額查詢、閥門控制等指令數據包。測控終端收到指令數據包后作出相應的操作，并返回相應數據包到測控終端計算機。同時測控中心收到上傳的資料后進行篩選、分類、統計、分析并存儲到數據庫中。用戶可以隨時查詢各個點的瞬時流量信息、余額信息等。用戶也可以在監控中心通過軟件對各個點進行閥門的控制和充值操作等。

2 終端的組成和工作原理

將GPRS技術運用于遠程流量測控設備是目前新興的一種遠程測控方法，但是要實現這樣的系統，需要建立功能強大并且工作穩定的遠程終端系統[3]。現場流量測控終端主要實現以下功能：①接收并處理超聲波換能器所產生的流量信號，并將其轉換為數字量，通過控制器計算分析后得到流量值；②控制和驅動顯示設備顯示當前流量值和系統狀態信息；③支持本終端與GPRS DTU的通信；④及時響應本地操作和遠程數據請求與控制指令，根據流量控制命令，自動調節閥門的開度以控制流量。

現場流量測控終端主要由流量測量傳感器、流量控制閥與執行器、主控制器電路單元、鍵盤與顯示電路、遠程通信終端GPRS DTU五部分組成。其原理框圖如圖2所示。

圖2 現場流量測控終端的原理框圖

2.1 超聲波相關流量計的測量原理

超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式非接觸流量儀表，其中超聲波時差法和多普勒法最常見。時差法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有一定量的懸浮顆粒和氣泡的液體，并且測量精度不高，應用受到一定的限制[3-4]。基于信號周期性和噪聲隨機性的相關檢測技術，現已成為從強噪聲中提取弱信號的重要手段。超聲波互相關流量測量主要是依據在流體中傳播的超聲波載有的流體流速信息，利用接收到的超聲波信號測量流體的流速和流量[5]。

互相關函數定義為：

(1)

式中：x(t)和y(t)為兩隨機信號樣本；τ為所測量兩點間的時間間隔，即兩信號間的時延。

在沿管道軸線相距L的截面上安裝兩對超聲換能器(上游換能器和下游換能器)，工作時上游換能器向被測流體發射一定幅度的能量束。當被測流體在管道內流動時，流動噪聲調制上游傳感器發出的能量束，下游換能器檢測到引起調制作用的隨機信號x(t)，再通過信號轉換電路，就可以從下游接收換能器提取出與被測流體流動狀況有關的流動噪聲信號y(t)。由相關理論可計算出這兩個信號的互相關函數Rxy(τ)的圖形。該圖形峰值位置所對應的時間位移τ0就是隨機信號在該系統中的傳遞時間(即流體的流動時間)，即渡越時間[6]。因此，信號在該系統中的傳播速度v可以按下式計算：

v=L/τ0

(2)

式中：v為相關速度；L為上、下游傳感器的距離。

在理想流動狀況下，即管道截面上各點處流體的流速相等時，被測流體的體積平均流速vcp可以用相關速度v來表示，則流量Q的計算公式為：

(3)

式中：D為管道內徑；K為流速分布補償系數。

相關流量測量原理如圖3所示。

圖3 互相關流量測量原理圖

2.2 終端流量測控硬件設計

根據測控終端的功能要求，選擇LPC2378器件作為主控制器[7]。主控制器和外圍接口電路如圖4所示。換能器接收的信號通過放大和整形后被送入A/D轉換，控制器利用互相關算法得到流量值，再比對當前的流量目標值來控制閥門的開度值；最后根據開度值來控制執行器做出閥門動作，從而達到控制流量的目的。

圖4 終端流量測控硬件框圖

主控制器還有一項重要的任務，即通信功能，這是遠程測控系統的一項關鍵任務。主控制器通過相關的協議，不但將測得的流量數據定時傳遞到數據中心，而且能夠識別數據中心發出的控制或者設置指令[8-9]。同時該類終端也具有本地設置參數和狀態顯示的功能。這就要求控制器在控制流量的同時，也要能夠處理工作人員的鍵盤操作動作，并能夠控制顯示設備將終端工作的狀態和相關內容友好地顯示在系統的顯示設備上。

2.3 終端流量測控軟件設計

測控終端平臺軟件使用了μC/OS-II嵌入式操作系統。整個系統包括μC/OS-II嵌入式操作系統內核、底層硬件基礎驅動程序、高級應用程序和用戶應用程序。底層硬件驅動程序主要是保證硬件正常工作的基礎程序。程序中大多為對底層硬件寄存器的操作，包括液晶屏驅動、鍵盤驅動、SD卡驅動、以太網驅動、UART驅動、CAN總線驅動、A/D驅動等。高級應用程序主要指為用戶應用驅動程序和基礎驅動程序提供接口的函數，其中包括各種通信協議棧和圖形顯示函數等。應用程序指為了完成系統各項功能而編寫的程序，主要表現為操作系統所創建的各個任務。測控終端軟件總體架構圖如圖5所示。

圖5 監控終端軟件總體架構

3 監控中心軟件設計

為了實現對流量的遠程測控及用戶的實時交互功能，按照模塊化設計,監控中心的軟件共分為五大模塊,即用戶管理、監控管理、系統維護、事務管理和系統幫助。監控中心功能模塊圖如圖6所示。

圖6 監控中心功能模塊圖

4 結束語

利用互相關算法測量流量并結合GPRS無線通信技術，提出了新的流量遠程測控系統。測控終端運用技術先進的ARM控制器LPC2378，依托其豐富的內部資源，使得測控終端功能強大、智能化程度高，并具有良好的用戶操作接口。該接口集成了目前常用的各種接口，使系統便于擴展，也有利于系統在其他應用領域的推廣。

測控軟件使用了μC/OS-Ⅱ實時操作系統和任務管理機制，相對傳統的前后臺系統具有更好的穩定性、可維護性和移植性。試驗結果表明，該系統性能穩定可靠，測量精度高[9-10]。

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