基于北斗短报文的多阀门远程控制系统及远程控制方法与流程

1.本发明属于数据传输技术领域，特别涉及一种阀门远程控制与信息获取之间的传送协议，可用于油气管线阀门的远程控制与现场信息实时监测。
技术背景
2.目前的工业阀门大都采用现场手动控制，主要的远程控制方式则是利用4g网络等，而实际中阀门有可能安置在偏远或是人口稀少的地方，若当地无基站信号覆盖则会出现没有网络无法远程控制与通信的情况，然而工业阀门控制的实际通信数据量较小，若为其专门铺设网络电缆或是架设基站则会大大提高成本。
3.而采用北斗短报文通信技术，其直接依靠卫星通信，不受周围基础网络设施的影响，随时随地只需有卫星信号即可进行通信，因此它可以大大弥补常见无线传输方式的不足。而北斗短报文针对工业阀门控制的低频次低容量的通信也能够完全满足需要。
4.新疆中亚石油技术有限公司在其申请的专利文献(申请号：cn201910965534.0)中提出了“一种基于北斗短报文的工业现场物联网数据传输方法”，该方法直接将北斗网关与现场采集设备相连，实现工业现场物联网数据采集，但并没有对阀门执行远程控制的功能，也缺少数据处理设备对北斗短报文内部字节进行有效组织，因此缺少一个完善的通信协议。
5.上海倍哲工业自动化有限公司在其申请号为cn201920220427.0的专利文献中提出了“一种北斗短报文数据传输设备”，其在北斗数传型用户机上设有传感器模块，通过轮询机制实时监控各个传感器的数据信息并上报，数据收发频率较高。但由于北斗短报文通信具有60秒间隔时间，因此该方式极大占用了北斗短报文的通信信道，在野外环境下会造成较大的电量损耗，且用户端只能获取监控信息而不能对现场阀门进行远程控制，无法实现双向通信。
6.北京航天拓扑高科技有限责任公司在其申请号为cn201821872467.5的专利文献中提出了“一种北斗短报文应急通信数据采集系统”，其通信系统能够用在燃气、热力、电力、水务等能源管网监控现场进行数据汇总并上传，也能够实现数据的双向传输，对现场设备进行远程控制。但是由于其缺少多传感器、多阀门情况下的数据传输协调，易造成数据阻塞且通信的可靠性无法做到保证，且缺少报文丢失情况下的处理机制，它同样缺少能够满足工业现场环境下多设备的可靠通信协议。
7.此外，上述现有技术的北斗短报文的通信方式大都没有对通信协议格式做统一规划，难以实现一用户对多设备的双向通信，且无法保证通信的可靠性。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于北斗短报文的阀门远程控制系统及阀门信息获取方法，以有效提高北斗短报文传输的有效性与可靠性，满足工业阀门远程控制及现场信息获取，实现一用户对多设备的双向通信。
9.本发明的技术方案是这样实现的：
10.1.一种基于北斗短报文的阀门远程控制系统，包括可编程控制芯片(1)、电磁继电器(2)，网络通信模块(3)、天线(4)，lcd液晶显示屏(5)和按键(6)，该可编程控制芯片(1)上设有数字控制端口(11)，智能仪表rs485接口(12)，网络通信接口(13)，其特征在于：
11.所述可编程控制芯片(1)，其外部增设有用于实现阀门状态的反馈检测的输入信号检测端口(14)和用于连接北斗收发器的异步传输标准接口rs232(15)；其内部设有：
12.报文收发模块，用于北斗短报文的发送与接收；
13.指令识别模块，用于识别收到指令的功能与作用对象，生成对应的下层指令信号；
14.报文打包模块，用于将阀门，传感器或北斗收发机的反馈信息打包形成对应的返回报文；
15.tcp通信模块，用于实现网络通信功能；
16.阀门控制模块，用于产生控制信号控制电磁继电器或电流控制设备；
17.传感器模块，用于发送传感器查询指令与接收传感器返回信息；
18.定位模块，用于发送定位申请报文，接收定位信息报文并计算经纬度信息；
19.信号检测模块，用于检测阀门反馈信号，判断阀门状态；
20.所述在智能仪表rs485接口(12)，其上连接有传感器和电流控制设备(7)，用于产生大小为4
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20ma的工业仪表设备的标准电流信号，实现对调节阀的开度进行控制。
21.进一步，所述电流控制设备(7)包含电流信号转换模块(71)，rs485信号控制接口(72)，电流输入接口(73)，电流输出接口(74)，该rs485信号控制接口(72)与智能仪表rs485接口(12)相连，并通过串行总线协议modbus控制电流信号转换模块(71)工作；该电流输出接口(74)和电流输入接口(73)均与工业现场的调节阀相连，通过4
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20ma电流控制阀门的0
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100％开度，并检测反馈电流的大小。
22.进一步，所述电磁继电器(2)包含电平信号控制接口(21)与开关接口(22)，该电平信号控制接口(21)与数字控制端口(11)相连，该开关接口(22)与工业现场开关阀相连，并通过可编程控制芯片(1)产生的数字信号控制开关接口(22)的通断，实现对工业现场控制阀门的开闭。
23.进一步，所述输入信号检测端口(14)与工业现场开关阀的反馈电路相连，通过可编程控制芯片(1)识别反馈电路电平信号的变化，判断开关阀的开闭状态；所述网络通信接口(13)与外部的5g通信模块相连，用于接收指令与回传状态信息。
24.进一步，可编程控制芯片(1)上的输入端口与按键(6)相连，其输出端口与lcd液晶显示屏(5)相连；其串口与网络通信模块(3)相连，该网络通信模块(3)与天线(4)连接。
25.进一步，所述数字控制端口(11)采用多路数字端口，用于同时控制多路电磁继电器(2)开关通道。
26.2.一种利用权利要求书1所述系统进行多阀门远程控制的方法，其特征在于，包括：
27.1)指令识别模块生成下层指令信号：
28.用户根据控制或查询的需求生成相应的指令发送报文，并发送给控制系统，该指令发送报文包含报头、用户卡号、功能码、阀门号、传感器号、报文序号、模拟量参数、扩展功能这八个字段；
29.报文收发模块接收到用户的指令发送报文后，由指令识别模块进行解析，确定指令的功能、作用对象，并生成相应的下层指令信号，该下层指令信号包含阀门控制类指令，传感器查询类指令与定位信息查询指令三个类别；
30.2)阀门控制模块，传感器模块或定位模块根据上述不同的下层指令信号类别，执行相应的控制或查询操作：
31.若下层指令为阀门控制类指令，则阀门控制模块会控制电磁继电器和电流控制设备，它们将控制信号作用于待控制阀门，输入信号检测端口接收该阀门产生的反馈信号并反馈给信号检测模块；
32.若下层指令为传感器查询类指令，则传感器模块生成对应的串行总线协议modbus指令并发送给传感器，传感器查询实时状态信息后将传感器信息数据反馈给传感器模块；
33.若下层指令为定位信息查询指令，则定位模块产生相应的北斗定位申请报文并通过报文收发模块发送至北斗收发机，报文收发模块获取到北斗收发机的定位信息报文后反馈给定位模块进行解析操作，计算得到设备所在地经纬度信息；
34.3)报文打包模块根据上述模块收到的不同反馈信息进行打包，形成不同的报文：
35.若收到阀门反馈信息或传感器信息，则报文打包模块将其分别打包后形成返回信息报文，该返回信息报文包含报头、设备卡号、功能码、阀门号、传感器号、报文序号、报文内容、扩展功能八个字段；
36.若收到设备经纬度信息，则报文打包模块将其打包形成定位信息报文，该定位信息报文包含报头，设备卡号，功能码，报文序号，纬度信息，经度信息六个字段；
37.4)报文收发模块将上述返回信息报文和定位信息报文这两种报文通过北斗收发机发送给用户，完成阀门相关信息的获取。
38.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
39.1)本发明系统通过增设异步传输标准接口rs232，并结合可编程控制芯片内的报文收发模块、报文打包模块即可能够准确解析、打包北斗短报文，使远程控制系统不仅支持4g/5g的通信方式，还支持北斗短报文的通信方式。
40.2)本发明通过增设输入信号检测端口结合可编程控制芯片内的信号检测模块即可实现对工业现场阀门进行控制后实时检测其状态，实现闭环控制，提升了控制过程的可靠性。
41.3)本发明针对北斗短报文的自定义字段对通信报文格式做了统一规划，即定义了指令发送报文，返回信息报文，定位信息报文，结合报文中的“设备卡号”、“阀门号”与“传感器号”字段即可实现了现场控制系统同多个阀门与传感器设备的协议组网；结合基于北斗短报文的阀门远程控制系统的多路电磁继电器与电流控制设备，既能够对现场多路开关阀与调节阀进行精确控制，还能够对现场阀门或传感器的状态信息进行实时检测或预警，对设备所在地经纬度信息进行查询，实现了用户对多设备的双向通信。
附图说明
42.图1是本发明基于北斗短报文的阀门远程控制系统组成原理框图；
43.图2是本发明获取阀门信息的场景图；
44.图3是本发明获取阀门信息的实现流程图。
具体实施方式
45.以下结合附图和具体工业实施例，对本发明作进一步详细描述。
46.参照图1，发明基于北斗短报文的阀门远程控制系统，包括：
47.可编程控制芯片1、电磁继电器2，网络通信模块3、天线4，lcd液晶显示屏5，按键6和电流控制设备7。其中，电磁继电器2包含电平信号控制接口21与开关接口22，它能够将可编程控制芯片1的控制信号转化为开关信号并通过开关接口22输出；电流控制设备7，它包含电流信号转换模块71，rs485信号控制接口72，电流输入接口73和电流输出接口74，用于实现电流信号的输入检测与输出控制；可编程控制芯片1，是该控制系统的核心，用于解析，处理收到的用户指令数据，识别指令的功能与作用对象，并生成相应的控制或查询指令，对外部的阀门、传感器或北斗收发机的反馈数据进行提取，计算，打包，生成对应的报文发送给用户；该可编程控制芯片1上设有数字控制端口11，智能仪表rs485接口12，网络通信接口13，输入信号检测端口14与异步传输标准接口rs232 15，其内部设有如下功能模块：
48.报文收发模块，用于北斗短报文的发送与接收；
49.指令识别模块，用于识别收到指令的功能与作用对象，生成对应的下层指令信号；
50.报文打包模块，用于将外部的阀门，传感器或北斗收发机的反馈信息打包形成对应的返回报文；
51.tcp通信模块，用于实现网络通信功能；
52.阀门控制模块，用于产生控制信号控制电磁继电器或电流控制设备；
53.传感器模块，用于发送传感器查询指令与接收传感器返回信息；
54.定位模块，用于发送定位申请报文，接收定位信息报文并计算经纬度信息；
55.信号检测模块，用于检测外部阀门的反馈信号，获取其状态信息；
56.该可编程控制芯片1通过其上不同的端口与系统内外的装置连接，完成不同的功能，其具体连接关系如下：
57.可编程控制芯片1通过数字控制端口11与电磁继电器2相连，结合阀门控制模块产生的控制信号，实现对电磁继电器开关接口22的通断控制，而电磁继电器开关接口22与外部的开关阀门相连，本实例采用两路但不限于两路数字控制端口11用于控制工业现场的开关阀门；工业现场的开关阀门仅有开、关两种状态，因此只需通过电磁继电器产生开、关信号即可实现阀门的控制，使开关阀门的反馈电路在状态变化时产生开关信号；可编程控制芯片1的输入信号检测端口与开关阀门的反馈电路相连，通过信号检测模块实现控制系统对外部开关阀门状态的实时检测。
58.可编程控制芯片1通过智能仪表rs485接口12与电流控制设备7相连，结合阀门控制模块产生的控制信号使电流控制设备7产生4
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20ma的输出电流，其电流输出接口74与外部调节阀门相连；工业现场的调节阀门使用4
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20ma的电流来控制阀门产生0
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100％的开度，通过电流控制设备7输出电流大小的变化从而实现对调节阀的开度控制，而调节阀门的反馈电路会产生4
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20ma电流以表示当前开度大小；电流控制设备7的电流输入接口73与外部调节阀的反馈电路相连，结合信号检测模块即可实现控制系统对调节阀开度的实时检测。
59.可编程控制芯片1通过智能仪表rs485接口12与外部的各类传感器相连；工业现场使用的传感器包括温湿度传感器、压力传感器与位移传感器，它们均设有智能仪表rs485接口并支持串行总线modbus协议；可编程控制芯片1结合传感器模块产生的串行总线modbus
协议，即可查询相应的外部传感器的信息，并通过传感器模块解析外部传感器的实时状态信息。
60.可编程控制芯片1通过异步传输标准接口rs232 15与外部的北斗收发机相连，结合报文收发模块即可完成北斗短报文的通信功能。
61.可编程控制芯片1通过串口与网络通信模块3相连，以实现在有4g移动网络覆盖的情况下与用户的通信功能，也是北斗短报文通信方式的补充。
62.可编程控制芯片1通过网络控制接口13与外部5g通信模块相连，以可实现在有5g网络信号覆盖的地区实现与用户的大容量通信功能。
63.可编程控制芯片1的输入端口与按键6相连，以现场对该控制系统进行操作，下达控制与查询指令；可编程控制芯片1的输出端口与lcd液晶显示屏5相连，以现场观测该控制系统相连的各个外部阀门与传感器的状态信息。
64.将上述基于北斗短报文的阀门远程控制系统应用于工业油气传输管线的阀门上，实际的应用场景参照图2所示，其应用场景包括用户端与设备端，其中：
65.用户端包括服务器与北斗收发器，设备端包括上述基于北斗短报文的阀门远程控制系统，北斗收发器，工业现场的阀门和各类传感器。
66.工业油气传输管线现场设有多个阀门远程控制系统，而每个阀门远程控制系统上能够连接多个阀门与传感器，用户端通过北斗收发器发送指令报文对现场所有阀门进行精确控制，并通过接收返回报文对所有传感器状态进行实时监测。
67.在上述图2的场景下利用本发明基于北斗短报文的阀门远程控制系统可获取阀门相关信息。
68.参照图3，本发明获取阀门信息的实现步骤包括如下：
69.步骤1，指令识别模块生成下层指令信号：
70.1.1)用户端根据自身的控制或查询的需求，在服务器的控制页面上执行相应的操作，后台程序会生成相应的指令发送报文，用户端的北斗收发机会将包含目的卡号和通信内容的北斗短报文申请加密后通过北斗卫星转发入站，地面中心站收到通信申请后，经脱密再加密的方式放入广播电文中，再经过北斗卫星转发至设备端目的卡号的北斗收发机，从而使设备端北斗收发器接收到了用户端的指令发送报文；该指令发送报文包含报头、用户卡号、功能码、阀门号、传感器号、报文序号、模拟量参数、扩展功能这八个字段；
71.1.2)控制系统中的报文收发模块接收到用户的指令发送报文后，由指令识别模块进行解析，确定指令的功能、作用对象：
72.根据“功能码”字段的内容确定指令的功能：包括：开关阀与调节阀的控制与查询，温湿度、压力、位移传感器信息的查询，北斗卡号、信号与定位信息的查询；
73.根据“阀门号”和“传感器号”字段确定指令的作用对象，其中，“阀门号”字段表示该控制系统下部管理的外部阀门唯一序号，使控制系统能对下部管理多个阀门进行准确控制；“传感器号”字段表示该控制系统上相连的传感器的唯一序号，以便对控制系统某个阀门上的某个传感器信息进行精确获取。
74.1.3)指令识别模块在确定了指令的功能与作用对象后，生成相应的下层指令信号，该下层指令信号包含阀门控制类指令，传感器查询类指令与定位信息查询指令三个类别。
75.步骤2，根据下层指令信号类别，调用阀门控制模块，传感器模块或定位模块工作。
76.阀门控制模块，传感器模块或定位模块根据上述不同的下层指令信号类别，执行相应的控制或查询操作：
77.若下层指令为阀门控制类指令，则由阀门控制模块控制电磁继电器和电流控制设备将控制信号作用于待控制外部阀门，并通过输入信号检测端口接收该外部阀门产生的反馈信号反馈给信号检测模块。
78.若下层指令为传感器查询类指令，则由传感器模块生成对应的串行总线协议modbus指令并发送给传感器，传感器查询实时状态信息后将该信息数据反馈给传感器模块进行解析，得到实时的传感器状态信息。
79.若下层指令为定位信息查询指令，则由定位模块产生相应的北斗定位申请报文并通过报文收发模块发送至外部的北斗收发机，报文收发模块获取到该北斗收发机的定位信息报文后反馈给定位模块进行解析操作，并计算出设备所在地经纬度信息y：
80.y＝d m/60
81.其中，d为定位信息报文中的“度”，m为定位信息报文中的“分”。
82.步骤3，根据反馈信息形成不同的报文。
83.报文打包模块根据上述模块收到的不同反馈信息进行打包，形成不同的报文：
84.若收到阀门反馈信息或传感器信息，则报文打包模块将其数据分别打包后形成返回信息报文，该返回信息报文包含报头、设备卡号、功能码、阀门号、传感器号、报文序号、报文内容、扩展功能八个字段。
85.若收到设备经纬度信息，则报文打包模块将其打包形成定位信息报文，该定位信息报文包含报头，设备卡号，功能码，报文序号，纬度信息，经度信息六个字段。
86.步骤4，将报文信息传回用户端，获得阀门相关信息。
87.报文收发模块将上述返回信息报文和定位信息报文这两种报文通过北斗收发机经由北斗卫星与地面站的转发后传回用户端；
88.用户端接收到返回信息报文后，根据其中的“功能码”字段判断该报文反馈信息的类型，通过“阀门号”与“传感器号”字段确定待更新的外部阀门或传感器设备，最后解析“报文信息”字段的内容得到该阀门的状态或与阀门相连的传感器的信息，随后用户端的控制页面对上述信息进行更新，完成阀门状态信息与传感器信息的获取；
89.用户端收到定位信息报文后，获取其中的“纬度信息”与“经度信息”字段的内容，得到上述控制系统的位置信息，由于该控制系统安置在现场阀门上，因此得到的该位置信息也是现场阀门的位置信息，并标识在控制页面的地图中，完成对阀门所在位置信息的获取。
90.以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围中。