基于GPRS网络的智能阀门监控系统

雷 帆

（河北工程大学 信息与电气工程学院，邯郸 056038）

目前采油站的原油交接采用密码口令的方式，现场人员通过密码器输入密码，密码验证通过即可打开电动阀门，这种方式在一定程度上能够防止外来人员窃油，但是密码需要现场输入，密码的管理权限较低，而且密码也无法识别不同的操作人员，对于操作的信息记录不够全面。对原油交接的工作无法做到及时、有效地监督和管理。

管理来源于及时、可靠的信息[1]，基于GPRS网络的智能阀门监控系统旨在解决上述问题，为各独立采油站的储油、原油交接建立一个严谨、全面的信息管理控制系统。

1 系统架构和实现原理

基于GPRS网络的智能阀门监控系统由智能电动阀门控制器、中心服务器、管理员终端3部分构成。各个采油站配有1个智能电动阀门控制器，用于发送请求和接收中心服务器的回复；采油厂设有1个中心服务器，由GPRS网络的APN通讯方式建立通讯网络，用于信息中转功能、数据库管理功能、用户管理功能；管理员终端分为2种方式，一种为移动终端，采用手机短信的方式与中心服务器通讯；另一种为服务器账户终端，登录账户后，直接在服务器上进行权限内的操作。系统工作流程如图1所示。

图1 系统工作流程Fig.1 Flow chart of system work

基于GPRS网络的智能阀门监控系统的工作原理为采油站如需进行原油交接，现场人员刷卡请求，智能阀门控制器发送请求给中心服务器；中心服务器收到请求之后，首先根据返回的卡片注册信息在数据库中找出对应的持卡人员信息，然后发送持卡人员请求开启阀门信息给对应的管理人员的移动终端 （手机）；管理人员收到信息之后进行应答，应答结果先到中心服务器，再通过中心服务器转发给现场的智能阀门控制器，同时智能阀门控制器有相关的声光指示信号给现场人员；现场人员可根据提示进行对应权限的操作，实现阀门的开启或者关闭。

2 系统实现

对于一个采油厂有诸多采油站，采油站分布在不同地域。一般一个采油厂设有1个中心服务器安置在调度中心，有业务人员定时检查维护服务器。采油站现场每个出油口安装1台智能阀门控制器的配套阀门，同时智能阀门控制器可安置于现场值班室。管理员管理方式有2种，用手机短信监控管理，或者登陆中心服务器账号，在电脑上监控管理。

2.1 硬件设计及功能说明

智能阀门控制器由主控部分、电源模块、GPRS通讯模块[2]、RFID模块、继电器模块、声光报警部分构成[4-5]。硬件设计框架如图2所示。

图2 硬件设计框架图Fig.2 Hardware design frame

主控部分主控芯片选STM32F103RB芯片。射频RFID模块芯片选用FM1702SL芯片，主控芯片与FM1702SL采用SPI通讯方式。GPRS模块选用GPRS_DTU_8010模块，与主控芯片之间采用RS485串口通信[3]。继电器使用5 V继电器控制220 V的交流电动阀，电动阀门自动和手动切换部分更换一个自动切换装置。声光报警采用24 V有源蜂鸣器、红绿指示灯。电源部分输入为220 V/50 Hz，输出为5 V、12 V、24 V 3种直流电，分别给主控部分、GPRS模块、声光报警部分供电。

现场人员通过刷卡发送请求开启阀门信息，数据通过GPRS模块直接向数据服务器发送卡片信息和开启阀门操作请求，发送请求后阀门控制器处于待命状态，直到数据服务器返回授权代码后，智能阀门控制器对授权代码进行识别判断，并用声光报警方式给出现场操作人员授权提示信息，根据授权提示信息操作人员即可对现场阀门进行开启或者其他操作，同时操作记录提交给中心服务器。为了保证安全可靠，设计阀门的关闭是不需要向服务器发送请求，可随时关闭阀门。这种设计的目的是阀门的开启需要授权，保证原油交接实现及时可靠的管理。

2.2 管理员终端

管理员终端分为2部分，一部分为移动终端，采用手机短信的方式与数据服务器通讯；另一部分为服务器账户终端，登录账户后，直接在服务器上进行权限内的操作；管理员权限分为3个等级，按照由高到低分为A级权限管理员、B级权限管理员、C级权限管理员。A级和B级使用移动设备终端方式，C级使用服务器账户登录方式。A级管理员只设置1名，拥有最高管理权限，A级管理员发出授权代码后，其他管理员的授权代码均视为无效。只有在A级管理员不响应的情况下，其他管理员的授权代码才能有效。B级管理员可设置2～3名，在A级不响应的前提下，服务器才向智能阀门控制器发送授权代码。为防止信息回复延误降低工作效率，B级管理员采用逻辑或的判断模式，只要其中1名管理员发送同意请求，即可允许电动阀门开启。C级作为1个冗余保护措施，可设置1～2个专属账户，在A级管理员、B级管理员不响应的前提下，系统会允许C级管理员登录专属的服务器账户，授权智能阀门控制器控制电动阀门。

日常运行中，管理员主动向服务器发送的授权代码，服务器不做处理，管理员只有在智能阀门控制器请求的情况下才有效，但是A级管理员具有中断权限，即在阀门开启、排油过程中，可以主动发送授权代码直接关闭阀门。

2.3 服务器的系统设计

服务器系统采用B/S架构，可在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要有一台能上网的电脑就能使用，操作简便，具有客户端零安装、零维护，系统可靠稳定的特点。监控系统软件开发用C#实现，主要实现接收到智能阀门控制器发送来的阀门开启请求后，将请求通过短信方式发送到A级和B级管理员的手机上，并等待管理员的回复，A级和B级管理员通过手机短信的方式，将授权代码发送到中心服务器，服务器对授权代码进行判断后，向智能阀门控制器发送授权代码，同时等待阀门的状态应答；如果A级和B级管理员都在一定时间内（10 min/可调）无响应，系统将允许C级管理员通过指定的账户登录服务器，响应智能阀门控制器的请求；C级账户与C级管理员采用一一对应的方式，不允许多人使用一个账户。

中心服务器在收发和处理各级指令的同时，会将阀门状态、授权代码及管理员信息同步存储到数据库中保存；在用户界面上，用户可以很方便地查看任意站点的历史信息数据，包括该站点对应的阀门开关信息、管理员授权代码信息、设备故障报警提示等信息。

用户管理功能允许用户对管理员的账号进行增加、修改或删除，包括A级、B级管理员移动设备账号和C级管理员的服务器登录账号。系统会向用户提供一个系统账号，只有通过该账号才能进行以上操作。另外，用户管理功能还提供是否向A级或B级管理员发送短信请求的选项，没有选择发送授权代码的管理员，系统接收到智能阀门控制器请求后，不会向其发送请求短信，系统也不会将其授权代码作为判断条件。

2.4 故障防护

本系统设计充分考虑实用安全等因素，设有系统故障防护机制，以便系统在故障情况下及时反馈信息同时不影响生产。

电气设计部分符合防爆要求，智能阀门控制器接线有配套安全栅，保证设备不会出现电气故障。

设备具有超时提醒功能，数据服务器长时间不响应，设备提示重新发送请求，或提示现场人员向C级管理员请示。为提高设备可靠性，以及便于查看操作记录。设备具有手动复位功能便于现场临时操作和流量调节；服务器能够实时获取电动阀门的开关状态；系统软件定期自检，及时发现安全隐患，提供相关应急方案。如果阀门不能正常打开，现场阀门控制器会出现声光报警，如需开启阀门可使用超级卡切换到手动状态，从而不影响生产。如图3所示为故障状态运行示意图。

图3 阀门运行故障时流程图Fig.3 Flow chart of valve running failure

如果数据中心服务器出现宕机，现场人员在电话沟通之后可以使用超级电子秘钥卡实现所有操作，无需A、B、C级管理员的授权操作。如图4所示为通讯故障的保护机制。

图4 通讯故障的保护机制Fig.4 Communication failure protection mechanism

3 结语

采油站原油交接管理权限低、信息记录不够全面，针对这些问题本系统的设计经过采油站投入使用，得到现场人员以及采油站各个部门的认可，这充分说明了该系统能够为采油站提供一个全面的信息管理系统，并能减轻管理人员的工作强度，给采油站带来经济效益。

[1]李世华，田玉平.移动小车的轨迹跟踪控制[J].控制与决策，2000，15（5）：113-116.

[2]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]李亚梅.字符型液晶显示的接口应用[J].科技信息，2008（19）：6-28.

[5]陈媛，张静，黄丽丰.基于RFID和GPRS技术的危险品物流系统模型研究[J].包装工程，2008，29（5）：78-80.