基于GPRS技术的远程互相关流量测控系统

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

流量的测量与控制越来越多地应用于石油化工、生活供水和工业生产等领域。超声波流量计由于本身的诸多优点被广泛地应用于各种流量测量领域[1]。传统的手抄式超声波流量计已经不能满足要求，如测量点分布离散、现场环境恶劣及人不能接近测量等情况。虽然随后出现了基于电话线网、互联网和GSM等数据采集方式的流量计，但这些方式仍存在许多不足，如效率太低、成本太高或覆盖面不广、不能实时地将流量信息发送到客户端等一系列缺陷。此外流量测量算法的选择、远程通信链路的建立及网络通信协议的应用等方面还有待改进。

近年来，GPRS在无线数据业务领域的优势越来越明显，为GSM系统在无线数据业务领域开辟了广泛的应用前景，GPRS业务被越来越广泛地应用于各种领域[2]。根据目前流量测控技术的要求，结合远程通信和流量控制技术，设计了一种基于GPRS的远程流量监控系统。该系统为远程流量的测量与控制提供了一种新的方法。

1 基于GPRS的远程流量测控系统组成

根据流量测控仪表传输资料量不大和对实时性要求高等特点，GPRS非常适合应用于远程流量测量与控制的数据传输。本系统设计的流量远程监控主要由监控中心和现场监控终端两部分组成，远程流量测控系统结构图如图1所示。

图1 远程流量测控系统结构图

系统中的各个流量测控单元通过GPRS无线数据终端接入GPRS网络，GPRS网络再连接到Internet。这样用一台分配有固定IP并连接到Internet的计算机配合相关软件，就可以实现对各单元的流量测量与控制。各个现场单元不仅需要有相应的流量测量和控制功能，而且需要能够与GPRS数据终端进行数据交换。

系统的工作过程具体如下。

当测控终端和管理中心计算机建立连接后，管理中心可以向各个测控终端发出数据采集、瞬时流量采集、余额查询、阀门控制等指令数据包。测控终端收到指令数据包后作出相应的操作，并返回相应数据包到测控终端计算机。同时测控中心收到上传的资料后进行筛选、分类、统计、分析并存储到数据库中。用户可以随时查询各个点的瞬时流量信息、余额信息等。用户也可以在监控中心通过软件对各个点进行阀门的控制和充值操作等。

2 终端的组成和工作原理

将GPRS技术运用于远程流量测控设备是目前新兴的一种远程测控方法，但是要实现这样的系统，需要建立功能强大并且工作稳定的远程终端系统[3]。现场流量测控终端主要实现以下功能：①接收并处理超声波换能器所产生的流量信号，并将其转换为数字量，通过控制器计算分析后得到流量值；②控制和驱动显示设备显示当前流量值和系统状态信息；③支持本终端与GPRS DTU的通信；④及时响应本地操作和远程数据请求与控制指令，根据流量控制命令，自动调节阀门的开度以控制流量。

现场流量测控终端主要由流量测量传感器、流量控制阀与执行器、主控制器电路单元、键盘与显示电路、远程通信终端GPRS DTU五部分组成。其原理框图如图2所示。

图2 现场流量测控终端的原理框图

2.1 超声波相关流量计的测量原理

超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式非接触流量仪表，其中超声波时差法和多普勒法最常见。时差法只能用于清洁液体和气体；而多普勒法只能用于测量含有一定量的悬浮颗粒和气泡的液体，并且测量精度不高，应用受到一定的限制[3-4]。基于信号周期性和噪声随机性的相关检测技术，现已成为从强噪声中提取弱信号的重要手段。超声波互相关流量测量主要是依据在流体中传播的超声波载有的流体流速信息，利用接收到的超声波信号测量流体的流速和流量[5]。

互相关函数定义为：

(1)

式中：x(t)和y(t)为两随机信号样本；τ为所测量两点间的时间间隔，即两信号间的时延。

在沿管道轴线相距L的截面上安装两对超声换能器(上游换能器和下游换能器)，工作时上游换能器向被测流体发射一定幅度的能量束。当被测流体在管道内流动时，流动噪声调制上游传感器发出的能量束，下游换能器检测到引起调制作用的随机信号x(t)，再通过信号转换电路，就可以从下游接收换能器提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号y(t)。由相关理论可计算出这两个信号的互相关函数Rxy(τ)的图形。该图形峰值位置所对应的时间位移τ0就是随机信号在该系统中的传递时间(即流体的流动时间)，即渡越时间[6]。因此，信号在该系统中的传播速度v可以按下式计算：

v=L/τ0

(2)

式中：v为相关速度；L为上、下游传感器的距离。

在理想流动状况下，即管道截面上各点处流体的流速相等时，被测流体的体积平均流速vcp可以用相关速度v来表示，则流量Q的计算公式为：

(3)

式中：D为管道内径；K为流速分布补偿系数。

相关流量测量原理如图3所示。

图3 互相关流量测量原理图

2.2 终端流量测控硬件设计

根据测控终端的功能要求，选择LPC2378器件作为主控制器[7]。主控制器和外围接口电路如图4所示。换能器接收的信号通过放大和整形后被送入A/D转换，控制器利用互相关算法得到流量值，再比对当前的流量目标值来控制阀门的开度值；最后根据开度值来控制执行器做出阀门动作，从而达到控制流量的目的。

图4 终端流量测控硬件框图

主控制器还有一项重要的任务，即通信功能，这是远程测控系统的一项关键任务。主控制器通过相关的协议，不但将测得的流量数据定时传递到数据中心，而且能够识别数据中心发出的控制或者设置指令[8-9]。同时该类终端也具有本地设置参数和状态显示的功能。这就要求控制器在控制流量的同时，也要能够处理工作人员的键盘操作动作，并能够控制显示设备将终端工作的状态和相关内容友好地显示在系统的显示设备上。

2.3 终端流量测控软件设计

测控终端平台软件使用了μC/OS-II嵌入式操作系统。整个系统包括μC/OS-II嵌入式操作系统内核、底层硬件基础驱动程序、高级应用程序和用户应用程序。底层硬件驱动程序主要是保证硬件正常工作的基础程序。程序中大多为对底层硬件寄存器的操作，包括液晶屏驱动、键盘驱动、SD卡驱动、以太网驱动、UART驱动、CAN总线驱动、A/D驱动等。高级应用程序主要指为用户应用驱动程序和基础驱动程序提供接口的函数，其中包括各种通信协议栈和图形显示函数等。应用程序指为了完成系统各项功能而编写的程序，主要表现为操作系统所创建的各个任务。测控终端软件总体架构图如图5所示。

图5 监控终端软件总体架构

3 监控中心软件设计

为了实现对流量的远程测控及用户的实时交互功能，按照模块化设计,监控中心的软件共分为五大模块,即用户管理、监控管理、系统维护、事务管理和系统帮助。监控中心功能模块图如图6所示。

图6 监控中心功能模块图

4 结束语

利用互相关算法测量流量并结合GPRS无线通信技术，提出了新的流量远程测控系统。测控终端运用技术先进的ARM控制器LPC2378，依托其丰富的内部资源，使得测控终端功能强大、智能化程度高，并具有良好的用户操作接口。该接口集成了目前常用的各种接口，使系统便于扩展，也有利于系统在其他应用领域的推广。

测控软件使用了μC/OS-Ⅱ实时操作系统和任务管理机制，相对传统的前后台系统具有更好的稳定性、可维护性和移植性。试验结果表明，该系统性能稳定可靠，测量精度高[9-10]。

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