一种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法
【专利摘要】本发明揭示了一种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，对管路内流量值进行实时采集并与标准值进行对比，通过PID算法调节阀门开度以使流量值与标准值一致，具体包括标准值的设定，流量数据采集，阀门开度采集，时间采集，数据对比分析，蝶阀开度调节，数据上传，数据显示。本发明揭示了一种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，集无线传感器，流量检测，流量控制及整体组网于一体。
【专利说明】一种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通讯技术的应用领域，尤其涉及一种基于传感器网络的流体流量 控制阀的控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着社会的发展，人们对环境破坏情况越来越重视，尤其是在排污方面，国 家及政府都进行了大量的控制，针对一些污染物排放的企业，政府对污染物的排放时间及 排放量都有一定要求，通常都是在排放管道上安装检测装置进行检测控制，以实现对排放 量的控制。
[0003] 流量控制阀作为直接控制液体流量的阀类，广泛的应用在排放管的流量控制上， 目前最常用的流量控制阀一种是开关控制：要么全开、要么全关，流量要么最大、要么最小， 没有中间状态，如普通的电磁直通阀、电磁换向阀、电液换向阀。另一种是连续控制：阀口 可以根据需要打开任意一个开度，由此控制通过流量的大小，这类阀有手动控制的，如节流 阀，也有电控的，如比例阀、伺服阀，但这样的阀类没有流量的数据传输，检测流量要在管路 中加装流量计，且上位机不能精确控制流量，另外控制阀门的开、关或开度调节以及流量的 检测等是通过有线的方式与上位机连接，因此系统存在布线距离长，布线错综复杂的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于传感器网络的流体流量控 制阀的控制方法。流体流量控制阀通过中央控制单元，与所述中央控制单元连接的流量检 测单元、流量控制单元、无线通信单元、显示单元、时钟单元等完成管路中流量的检测、流量 的控制、数据显示，多个基于传感器网络的流量控制阀之间组成传感器网络，采用统一的数 据传输格式与上位机进行无线数据通信，完成现场数据的实时传输。
[0005] 为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
[0006] -种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，对管路内流量值进行实时采 集并与标准值进行数据对比分析，通过PID算法调节阀门开度以使流量值与标准值一致， 该控制方法包括：
[0007] 标准值的设定，中央控制单元通过无线通信单元接收上位机的设定参数及标准流 量-时间表；
[0008] 实时流量数据采集，中央控制单元向流量控制单元发送PWM脉冲信号，经隔离放 大后对励磁线圈提供励磁电源，励磁线圈附近管道内与流量成线性关系的电极信号经放大 后由中央控制单元采集当前信号值，通过运算即得到管路内的实时流量值；
[0009] 阀门开度采集，中央控制单元通过安装在蝶阀处的开度检测传感器检测蝶阀当前 开度值；
[0010] 时间采集，中央控制单元通过时钟单元采集当前时间值；
[0011] 数据对比分析，中央控制单元将采集的流量数据，时间值及蝶阀开度值与内部预 存的标准流量-时间表进行对比，并通过PID算法以获得蝶阀开度调节值；
[0012] 蝶阀开度调节，中央控制单元将开度调节值送入流量控制单元内进行蝶阀开度调 节，使得当前流量值与标准流量值一致；
[0013] 数据上传，当中央控制单元通过无线通信单元接收到上位机发送的上传当前流量 值指令后，中央控制单元即通过无线通信单元将检测的当前流量值等参数发送给上位机；
[0014] 数据显示，中央控制单元将采集的当前流量值、流量设定值、当前流速、流量百分 t匕、调整参数等信息通过显示单元进行显示；
[0015] 所述流量数据采集中，中央控制单元发送PWM脉冲信号经隔离放大后对励磁线圈 提供励磁电源，励磁线圈在其周围的管路中产生磁场，管路内流动的液体切割磁场以产生 电压信号，电压信号由管路内部隔离面中的电极引出，并经过仪表放大器进行放大，再由中 央控制单元实时采集当前电压值，通过运算即得到管路内的实时流量值。
[0016] 所述标准值的设定中，对于流量为固定值，不需随时间改变而改变的，用户可以通 过上位机直接输入流量值给中央控制单元，以确保该控制阀的流量值保持为固定值。
[0017] 所述标准值的设定中，对于流量为变化值，即标准值是随时间改变而改变的，上位 机可通过"时间-流量曲线参数的指令"，发送多组流量、时间数据给中央控制单元，中央控 制单元根据时间顺序存储并依据各时间段流量值的数据进行流量控制。
[0018] 所述蝶阀开度调节中，中央控制单元将开度调节值发送至流量控制单元内的驱动 器上，以驱动步进电机转动，从而调节蝶阀正转或反转达到相应的开度值。
[0019] 中央控制单元与上位机之间通过无线通信单元进行数据交互传输，通过具有无线 功放功能的HRF905模块，采用统一的数据传输格式与上位机进行无线数据通信，完成现场 数据的实时传输。
[0020] 该控制方法中还包括无线传感器网络的组网方法，多个流量控制阀通过无线通信 单元进行组网，形成无线传感器网络，采用统一的数据传输格式与上位机进行数据交互，每 个流量控制阀具有特定的IP号，在传感器网络中可以作为基点或转发点，组网由上位机通 过"组网参数指令"设定完成。
[0021] 本控制方法中涉及的基于传感器网络的流体流量控制阀，包括中央控制单元，与 所述中央控制单元连接的无线通信单元，流量检测单元，流量控制单元，显示单元及时钟单 元，所述流量检测单元用于检测管路内流量大小，并反馈至中央控制单元，所述流量控制单 元根据中央控制单元信号控制流量管内流量大小，所述中央控制单元通过无线通信单元与 上位机进行无线通信。
[0022] 其中，所述流量检测单元包括励磁线圈，导电电极，连接所述导电电极的仪表放大 器，励磁电源及隔离驱动器。
[0023] 所述流量控制单元包括驱动器，步进电机，蝶阀，开度检测传感器。
[0024] 所述流量控制单元还包括对蝶阀实现自锁的涡轮减速器。
[0025] 所述无线通信单元采用具有无线功放的nRF905模块实现无线通信。
[0026] 本发明中采用法拉第电磁感应定律进行流体流量检测，当垂直于磁场方向的导体 以一定速度做切割磁力线运动时，在导体的两端会产生一定的感应电动势，本发明通过流 量管外部缠绕励磁线圈在流量管内部产生电磁场，当液体从流量管内流过，隔离面上的导 电电极产生一定电压，从而液体流速变化可以通过检测该感应电动势的大小确定。
[0027] 与现有技术相比，本发明基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，具有如 下有益效果：
[0028] 流量控制阀与上位机通过无线通信单元可以实现双向信息互换，而不是单向的流 量控制阀向上位机传输数据；
[0029] 同时对流体流量检测不受流体的密度，粘度，温度，压力和导电率的影响，导电电 极检测的电压信号与流速呈线性关系，测量精度高，同时无压力损耗，运算速度快，测量稳 定；
[0030] 多个流量控制阀之间通过一定的数据通信格式，相互组成一个传感器网络，每一 个流量控制阀都作为网络中的一个节点，可以接收发送信号，也可转发信号，通过远程控制 中心直接设置参数，免去逐个手动设置，同时传感器网络免去布线麻烦，减少运营成本，提 高了可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本发明基于传感器网络的流体流量控制阀的电路构成示意图；
[0032] 图2是本发明无线通信外部中断流程图；
[0033] 图3是本发明主程序流程图；
[0034] 图4是本发明的流量-时间曲线图；
[0035] 图5是本发明串口中断流程图。
【具体实施方式】
[0036] 下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0037] 如图1所示，本发明所揭示的一种基于传感器网络的流体流量控制阀，用于对流 量进行实时检测、控制、数据传输，具体包括中央控制单元，与所述中央控制单元连接的无 线通信单元，流量检测单元，流量控制单元，备用通信单元，显示单元及时钟单元。
[0038] 具体说来，所述流量检测单元基于法拉第电磁感应定律用于检测管路内液体流速 大小，具体包括缠绕在流量管外部的励磁线圈，安装在流量管内部隔离面上的导电电极，连 接所述导电电极的仪表放大器，励磁电源及隔离驱动器，所述中央控制单元向隔离驱动器 发送PWM脉冲信号，隔离驱动器激励励磁线圈在流量管内部产生磁场，液体流过励磁线圈 附近管路时，不断切割磁力线，从而产生与流体速度成正比的电压，通过导电电极引出并通 过仪表放大器进行信号放大，最后由中央控制单元进行AD采集。本单元中选用AD8237作 为仪表放大器，其具有超高输入阻抗、极低漏电流和出色的共模抑制比（CMRR)，根据流体 的性质和流速的范围，可通过两个相对匹配的数字电位器设置1至1000间的任何增益，性 能优越、稳定性好，此外选用ADP2441作为励磁电源进行DC/DC变换，有效防止电源的EMC 抗扰度对流量信号监测精度和稳定性的影响，对隔离驱动器选用双通道栅极驱动器芯片 ADUM3220,使得输入和输出之间具有真电流的隔离优势，能够跨越隔离栅实现电压转换。 [0039] 所述流量控制单元用于控制管路内液体流量大小，包括驱动器，步进电机，蝶阀， 开度检测传感器及涡轮减速器，所述蝶阀具有阀杆及蝶板，所述驱动器驱动所述步进电机 带动阀杆转动，从而调节蝶板的开度控制流量大小，所述开度检测传感器检测所述蝶板的 开度并反馈至中央控制单元，所述涡轮减速器安装在阀杆上，使得蝶板具有自锁功能，同时 改善阀杆的操控性，提高控制精度。
[0040] 所述无线通信单元采用具有无线功放的nRF905模块实现远程无线数字通信， nRF905是单芯片通信模块，支持多频道通信，且切换时间小于650us，数据低速进入，高速 发射出去，发送数据时自动生成数据帧头并计算CRC校验和，在接收代码时对代码进行地 址检测，并计算CRC确保数据准确性，所述流量控制阀和远程控制中心之间通过无线通信 单元进行无线通信，所述复数流量控制阀之间通过无线通信单元进行无线通信。
[0041] 所述时钟单元用于检测系统当前时间，反馈至中央控制单元，所述显示单元采用 彩色LCD显示屏，以显示当前流量设定值，当前流速，流量百分比，调整参数等信息，所述 备用通信单元在所述无线通信单元出现故障的情况下，应急替代所述无线通信单元，采用 RS485串口进行通信。
[0042] 所述中央控制单元为采用STM32F103单片机，其拥有ARM Cortex-M332位的RISC 内核，最高工作频率为72MHz，同时还内置了高速的存储器，丰富的增强I/O端口及联接到 两条APB总线的外设，在工作时检测管路当前流量值，蝶板当前开度值及当前时间值，同时 根据内部预存的设定流量值和当前实际测量流量值进行对比，根据对比差值采用PID算法 对蝶板开度进行调节，从而调节流量大小，同时将当前流量值通过显示单元显示，并通过无 线通信单元发送至远程控制中心（上位机）。
[0043] 本发明所揭示的一种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，包括如下步 骤：
[0044] 1.启动流量控制阀，将流量控制阀进行系统初始化，读取当前流量设置值（标准 值）、读取组网配置数据，进行协议初始化、组网配置，将无线通信单元设置为接收模式；
[0045] 2.检测通信端口是否接收到上位机发送的数据，若"否"则进行流量数据采集与控 制，具体步骤为：
[0046] (1).流量数据采集时，中央控制单元发送PWM脉冲信号给隔离驱动器，激励励磁 线圈产生磁场，流动的液体切割磁场产生电压通过导电电极引出，电极信号经放大后由中 央控制单元采集当前信号值，通过运算即得到管路内的实时流量值；
[0047] (2).中央控制单元采集时钟单元的当前时间值，通过开度检测传感器采集蝶阀当 前开度值；
[0048] (3).中央控制单元将当前流量值，时间值与内部预设的流量-时间标准表进行对 t匕，采用PID算法并结合当前开度值从而得出开度调整值；
[0049] (4).中央控制单元根据开度调整值发送控制信号至驱动器驱动步进电机，调节蝶 阀的开度，从而使得流量值达到预设当前流量值；
[0050] (5).中央控制单元通过显示单元显示流量信息；
[0051] 3.根据通信端口接收到的数据包进行校验，如校验错误，则发送"校验错误"应答 数据包给上位机，如校验正确，则发送"校验正确"应答数据包给上位机，并对数据包进行解 析；
[0052] 4.根据通信端口接收到的数据包进行解析，若为"上传实时数据"指令，则采集并 上传实时流体流动的方向、流体流量值、流速、总量值以及工作状态信息等实时信息；
[0053] 5.根据通信端口接收到的数据包进行解析，若为"阀门流量调节的控制参数P、I、 D的设置"指令，则实时更新系统调节过程中的PID参数，并用新的PID参数进行调节控制；
[0054] 6.根据通信端口接收到的数据包进行解析，若为"设定给定的时间、流量曲线参 数"指令时，更新当前时间之后的时间、流量曲线点的值（系统最多存储1〇〇个点的时间和 流量数据），并更新时间、流量曲线调节参数；
[0055] 7.根据通信端口接收到的数据包进行解析，若为"更新系统配置参数"指令时，更 新控制阀的编号（1-255,1字节）、前段仪表放大器的增益设定（1?1000倍，2字节）、系统 时钟（年、月、日、时、分、秒，6字节）、阀门管径（1字节）等数据；
[0056] 8.根据通信端口接收到的数据包进行解析，若为"组网参数"指令时，更新组网参 数数据；
[0057] 上述工作步骤2中所述"通信端口"指无线传感器模块nRF905接收端口或串口通 信端口，程序流程图见图2和图5所示；
[0058] 上述步骤8中所述组网参数，上位机根据现场设备的布置情况进行现场组网配 置，多个流量控制阀及上位机组成一个传感器网络，每个流量控制阀都可作为基站节点，同 时可以作为转发节点，当无线通信单元接收到一帧数据包后，对内部的数据帧进行解析，同 时对目的地址与自身地址进行比较，如果相同则判定为发送给自己的数据包，一旦对比不 同，则进行转发至相关流量控制阀，程序流程图如图2所示；
[0059] -种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法中所述数据包及指令格式描 述如下：
[0060] 基于传感器网络的流量控制阀之间采用统一的数据传输格式自行组网通信，网络 包含一个与上位机（工控机）相连接的基站节点和若干传感器节点（流量控制阀），各传感 器节点根据现场实际情况布放，数据传输链路由系统统一配置，并把配置信息下发到各传 感器单元，在这个传输链路中，基站节点和各传感器节点都有自己的惟一地址，在这样的无 线数据链路传输中，数据必须进行规定格式的传输，具体为：
[0061] 完整的一帧数据包的格式如下：
[0062]
【权利要求】
1. 一种基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，对管路内流量值进行实时采集 并与标准值进行数据对比分析，通过PID算法调节阀门开度以使流量值与标准值一致，其 特征在于，该控制方法包括： 标准值的设定，中央控制单元通过无线通信单元接收上位机的设定参数及标准流 量-时间表； 实时流量数据采集，中央控制单元向流量控制单元发送PWM脉冲信号，经隔离放大后 对励磁线圈提供励磁电源，励磁线圈附近管道内与流量成线性关系的电极信号经放大后由 中央控制单元采集当前信号值，通过运算即得到管路内的实时流量值； 阀门开度采集，中央控制单元通过安装在蝶阀处的开度检测传感器检测蝶阀当前开度 值； 时间采集，中央控制单元通过时钟单元采集当前时间值； 数据对比分析，中央控制单元将采集的流量数据，时间值及蝶阀开度值与内部预存的 标准流量-时间表进行对比，并通过PID算法以获得蝶阀开度调节值； 蝶阀开度调节，中央控制单元将开度调节值送入流量控制单元内进行蝶阀开度调节， 使得当前流量值与标准流量值一致； 数据上传，当中央控制单元通过无线通信单元接收到上位机发送的"上传当前流量值" 指令后，中央控制单元即通过无线通信单元将检测的当前流量值等参数发送给上位机； 数据显示，中央控制单元将采集的当前流量值，内部预存的流量-时间表的数据通过 显示单元进行显示。
2. 根据权利要求1所述的基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，其特征在 于：所述流量数据采集中，中央控制单元发送PWM脉冲信号经隔离放大后对励磁线圈提供 励磁电源，励磁线圈在其周围的管路中产生磁场，管路内流动的液体切割磁场以产生电压 信号，电压信号由管路内部隔离面中的电极引出，并经过仪表放大器进行放大，再由中央控 制单元实时采集当前电压值，通过运算即得到管路内的实时流量值。
3. 根据权利要求1所述的基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，其特征在 于：所述标准值的设定中，对于流量为固定值，不需随时间改变而改变的，用户可以通过上 位机直接输入流量值给中央控制单元，以确保该控制阀的流量值保持为固定值。
4. 根据权利要求1所述的基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，其特征在 于：所述标准值的设定中，对于流量为变化值，即标准值是随时间改变而改变的，上位机可 通过"时间-流量曲线参数的指令"，发送多组流量、时间数据给中央控制单元，中央控制单 元根据时间顺序存储并依据各时间段流量值的数据进行流量控制。
5. 根据权利要求1所述的基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，其特征在 于：所述蝶阀开度调节中，中央控制单元将开度调节值发送至流量控制单元内的驱动器上， 以驱动步进电机转动，从而调节蝶阀正转或反转达到相应的开度值。
6. 根据权利要求1所述的基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，其特征在 于：中央控制单元与上位机之间通过无线通信单元进行数据交互传输，通过具有无线功放 功能的HRF905模块，采用统一的数据传输格式与上位机进行无线数据通信，完成现场数据 的实时传输。
7. 根据权利要求1所述的基于传感器网络的流体流量控制阀的控制方法，其特征在 于：该控制方法中还包括无线传感器网络的组网方法，多个流量控制阀通过无线通信单元 进行组网，形成无线传感器网络，采用统一的数据传输格式与上位机进行数据交互，每个流 量控制阀具有特定的IP号，在传感器网络中可以作为基点或转发点，组网由上位机通过 "组网参数指令"设定完成。
【文档编号】G05D7/06GK104407630SQ201410665665
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】陈豪华, 冯军, 束慧, 顾浩, 陈卫兵, 严江华, 徐宏飞, 顾志勇, 窦贤振 申请人:江苏天泽环保科技有限公司