基于GPRS網絡的智能閥門監控系統

雷 帆

（河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038）

目前采油站的原油交接采用密碼口令的方式，現場人員通過密碼器輸入密碼，密碼驗證通過即可打開電動閥門，這種方式在一定程度上能夠防止外來人員竊油，但是密碼需要現場輸入，密碼的管理權限較低，而且密碼也無法識別不同的操作人員，對于操作的信息記錄不夠全面。對原油交接的工作無法做到及時、有效地監督和管理。

管理來源于及時、可靠的信息[1]，基于GPRS網絡的智能閥門監控系統旨在解決上述問題，為各獨立采油站的儲油、原油交接建立一個嚴謹、全面的信息管理控制系統。

1 系統架構和實現原理

基于GPRS網絡的智能閥門監控系統由智能電動閥門控制器、中心服務器、管理員終端3部分構成。各個采油站配有1個智能電動閥門控制器，用于發送請求和接收中心服務器的回復；采油廠設有1個中心服務器，由GPRS網絡的APN通訊方式建立通訊網絡，用于信息中轉功能、數據庫管理功能、用戶管理功能；管理員終端分為2種方式，一種為移動終端，采用手機短信的方式與中心服務器通訊；另一種為服務器賬戶終端，登錄賬戶后，直接在服務器上進行權限內的操作。系統工作流程如圖1所示。

圖1 系統工作流程Fig.1 Flow chart of system work

基于GPRS網絡的智能閥門監控系統的工作原理為采油站如需進行原油交接，現場人員刷卡請求，智能閥門控制器發送請求給中心服務器；中心服務器收到請求之后，首先根據返回的卡片注冊信息在數據庫中找出對應的持卡人員信息，然后發送持卡人員請求開啟閥門信息給對應的管理人員的移動終端 （手機）；管理人員收到信息之后進行應答，應答結果先到中心服務器，再通過中心服務器轉發給現場的智能閥門控制器，同時智能閥門控制器有相關的聲光指示信號給現場人員；現場人員可根據提示進行對應權限的操作，實現閥門的開啟或者關閉。

2 系統實現

對于一個采油廠有諸多采油站，采油站分布在不同地域。一般一個采油廠設有1個中心服務器安置在調度中心，有業務人員定時檢查維護服務器。采油站現場每個出油口安裝1臺智能閥門控制器的配套閥門，同時智能閥門控制器可安置于現場值班室。管理員管理方式有2種，用手機短信監控管理，或者登陸中心服務器賬號，在電腦上監控管理。

2.1 硬件設計及功能說明

智能閥門控制器由主控部分、電源模塊、GPRS通訊模塊[2]、RFID模塊、繼電器模塊、聲光報警部分構成[4-5]。硬件設計框架如圖2所示。

圖2 硬件設計框架圖Fig.2 Hardware design frame

主控部分主控芯片選STM32F103RB芯片。射頻RFID模塊芯片選用FM1702SL芯片，主控芯片與FM1702SL采用SPI通訊方式。GPRS模塊選用GPRS_DTU_8010模塊，與主控芯片之間采用RS485串口通信[3]。繼電器使用5 V繼電器控制220 V的交流電動閥，電動閥門自動和手動切換部分更換一個自動切換裝置。聲光報警采用24 V有源蜂鳴器、紅綠指示燈。電源部分輸入為220 V/50 Hz，輸出為5 V、12 V、24 V 3種直流電，分別給主控部分、GPRS模塊、聲光報警部分供電。

現場人員通過刷卡發送請求開啟閥門信息，數據通過GPRS模塊直接向數據服務器發送卡片信息和開啟閥門操作請求，發送請求后閥門控制器處于待命狀態，直到數據服務器返回授權代碼后，智能閥門控制器對授權代碼進行識別判斷，并用聲光報警方式給出現場操作人員授權提示信息，根據授權提示信息操作人員即可對現場閥門進行開啟或者其他操作，同時操作記錄提交給中心服務器。為了保證安全可靠，設計閥門的關閉是不需要向服務器發送請求，可隨時關閉閥門。這種設計的目的是閥門的開啟需要授權，保證原油交接實現及時可靠的管理。

2.2 管理員終端

管理員終端分為2部分，一部分為移動終端，采用手機短信的方式與數據服務器通訊；另一部分為服務器賬戶終端，登錄賬戶后，直接在服務器上進行權限內的操作；管理員權限分為3個等級，按照由高到低分為A級權限管理員、B級權限管理員、C級權限管理員。A級和B級使用移動設備終端方式，C級使用服務器賬戶登錄方式。A級管理員只設置1名，擁有最高管理權限，A級管理員發出授權代碼后，其他管理員的授權代碼均視為無效。只有在A級管理員不響應的情況下，其他管理員的授權代碼才能有效。B級管理員可設置2～3名，在A級不響應的前提下，服務器才向智能閥門控制器發送授權代碼。為防止信息回復延誤降低工作效率，B級管理員采用邏輯或的判斷模式，只要其中1名管理員發送同意請求，即可允許電動閥門開啟。C級作為1個冗余保護措施，可設置1～2個專屬賬戶，在A級管理員、B級管理員不響應的前提下，系統會允許C級管理員登錄專屬的服務器賬戶，授權智能閥門控制器控制電動閥門。

日常運行中，管理員主動向服務器發送的授權代碼，服務器不做處理，管理員只有在智能閥門控制器請求的情況下才有效，但是A級管理員具有中斷權限，即在閥門開啟、排油過程中，可以主動發送授權代碼直接關閉閥門。

2.3 服務器的系統設計

服務器系統采用B/S架構，可在任何地方進行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要有一臺能上網的電腦就能使用，操作簡便，具有客戶端零安裝、零維護，系統可靠穩定的特點。監控系統軟件開發用C#實現，主要實現接收到智能閥門控制器發送來的閥門開啟請求后，將請求通過短信方式發送到A級和B級管理員的手機上，并等待管理員的回復，A級和B級管理員通過手機短信的方式，將授權代碼發送到中心服務器，服務器對授權代碼進行判斷后，向智能閥門控制器發送授權代碼，同時等待閥門的狀態應答；如果A級和B級管理員都在一定時間內（10 min/可調）無響應，系統將允許C級管理員通過指定的賬戶登錄服務器，響應智能閥門控制器的請求；C級賬戶與C級管理員采用一一對應的方式，不允許多人使用一個賬戶。

中心服務器在收發和處理各級指令的同時，會將閥門狀態、授權代碼及管理員信息同步存儲到數據庫中保存；在用戶界面上，用戶可以很方便地查看任意站點的歷史信息數據，包括該站點對應的閥門開關信息、管理員授權代碼信息、設備故障報警提示等信息。

用戶管理功能允許用戶對管理員的賬號進行增加、修改或刪除，包括A級、B級管理員移動設備賬號和C級管理員的服務器登錄賬號。系統會向用戶提供一個系統賬號，只有通過該賬號才能進行以上操作。另外，用戶管理功能還提供是否向A級或B級管理員發送短信請求的選項，沒有選擇發送授權代碼的管理員，系統接收到智能閥門控制器請求后，不會向其發送請求短信，系統也不會將其授權代碼作為判斷條件。

2.4 故障防護

本系統設計充分考慮實用安全等因素，設有系統故障防護機制，以便系統在故障情況下及時反饋信息同時不影響生產。

電氣設計部分符合防爆要求，智能閥門控制器接線有配套安全柵，保證設備不會出現電氣故障。

設備具有超時提醒功能，數據服務器長時間不響應，設備提示重新發送請求，或提示現場人員向C級管理員請示。為提高設備可靠性，以及便于查看操作記錄。設備具有手動復位功能便于現場臨時操作和流量調節；服務器能夠實時獲取電動閥門的開關狀態；系統軟件定期自檢，及時發現安全隱患，提供相關應急方案。如果閥門不能正常打開，現場閥門控制器會出現聲光報警，如需開啟閥門可使用超級卡切換到手動狀態，從而不影響生產。如圖3所示為故障狀態運行示意圖。

圖3 閥門運行故障時流程圖Fig.3 Flow chart of valve running failure

如果數據中心服務器出現宕機，現場人員在電話溝通之后可以使用超級電子秘鑰卡實現所有操作，無需A、B、C級管理員的授權操作。如圖4所示為通訊故障的保護機制。

圖4 通訊故障的保護機制Fig.4 Communication failure protection mechanism

3 結語

采油站原油交接管理權限低、信息記錄不夠全面，針對這些問題本系統的設計經過采油站投入使用，得到現場人員以及采油站各個部門的認可，這充分說明了該系統能夠為采油站提供一個全面的信息管理系統，并能減輕管理人員的工作強度，給采油站帶來經濟效益。

[1]李世華，田玉平.移動小車的軌跡跟蹤控制[J].控制與決策，2000，15（5）：113-116.

[2]孫寶元，楊寶清.傳感器及其應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]吳建平.傳感器原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

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[5]陳媛，張靜，黃麗豐.基于RFID和GPRS技術的危險品物流系統模型研究[J].包裝工程，2008，29（5）：78-80.