基于EDGE和ZigBee的油路無線控制系統的研究與設計*

李海濤，潘正高，張萬禮

(宿州學院，安徽宿州234000)

基于EDGE和ZigBee的油路無線控制系統的研究與設計
*

李海濤，潘正高，張萬禮

(宿州學院，安徽宿州234000)

傳統人工控制石油管道的流量、流速的方式，需要投入大量人力、物力，而且管理效率不高，為了解決這一問題設計了基于無線網絡和無線傳輸技術的油路無線控制系統.首先，進行了油路無線控制系統總體結構的設計:中央控制系統、EDGE網絡發送模塊、ZigBee協調器模塊和油路控制終端模塊設計.然后，進行了油路無線控制系統的硬件結構設計:EDGE硬件結構圖設計、ZigBee硬件結構圖設計和步進電機硬件電路圖設計.最后，進行了油路無線控制系統的軟件程序設計:EDGE系統程序流程、ZigBee系統程序流程和系統整體流程方案設計.基于無線通信技術的油路無線控制系統解決了遠程油路控制的需求，促進了無線技術在自動化控制領域中的發展.

EDGE網絡;ZigBee無線技術;MSC1210模塊;JN5148模塊

傳統石油生產領域的管道控制系統采用的人工監管、人工巡視、人工控制和人工管理的方式實現輸油線路管道的控制，隨著計算機網絡和自動化技術的快速發展，“互聯網+”技術可以通過無線傳輸網絡和無線傳輸技術實現遠程油路管道控制［1］.互聯網技術和自動化技術的結合，能夠提高石油輸送和石油調度的效率，降低人工勞動成本［2］.

本文設計的基于無線通信技術的油路無線控制系統解決了遠程油路控制的需求，促進了無線技術在自動化控制領域中的發展.

1 油路無線控制系統總體結構設計

油路無線控制系統主要包括了四個部分［3］:①中央控制系統:主要由中央監控系統(遠程油路監視)、數據采集系統(系統運行參數)、LCD顯示系統和警戒預警系統構成;②EDGE網絡發送模塊:利用2.75G網絡實現數據傳輸，使用的是愛立信公司的MSC1210無線模塊;③ZigBee協調器模塊:實現數據的采集和短距發送，無線射頻芯片采用的是Jennic公司的JN5148;④終端控制模塊:采用的是四相集中式步進電機.

油路無線控制系統通過中央控制系統將控制命令和控制數據包發送至EDGE無線通信模塊，無線模塊將數據進行分析處理后通過RS323串口轉發至ZigBee協調器.ZigBee射頻芯片將油路控制命令通過路由節點將命令數據轉發至終端節點，終端節點將命令脈沖傳送至電機驅動電路實現電機的旋轉控制［4］.步進電機可以通過旋轉閥門實現油路的流量控制，油路無線控制系統總體結構如圖1所示.

圖1 油路無線控制系統總體結構設計

2 系統硬件設計

2.1 EDGE硬件結構圖設計

EDGE無線通信模塊實現了中央控制系統與ZigBee模塊之間的數據轉發功能，中央控制中心的系統參數控制和警戒預警控制等命令需要通過EDGE通過RS232串口遠程傳輸至ZigBee網絡協調器上進行處理，MSC1210模塊和其外圍電路匹配完全后可以進行遠距離無線數據通信［5］.EDGE無線通信模塊的硬件框圖如圖2所示.

圖2 MSC1210模塊硬件結構圖

2.2 ZigBee硬件結構圖設計

基于ZigBee技術的射頻芯片JN5148電路模塊主要包括:遠程調試、供電、顯示和電機控制接口四個模塊.JN5148具備路由節點和終端節點程序下載、遠程設備調試等功能［6］.JN5148芯片的硬件結構如圖3所示.

圖3 JN5148芯片硬件結構框圖

2.3 步進電機硬件電路圖

油路控制終端的速度和位置主要是利用步進電機的脈沖信號與角度位移、線性位移的開環元件，來控制電機的停止位置、電機轉速脈沖數和電機轉動頻率［7］.油路無線控制系統采用了四相集中式步進電機，電機硬件電路圖如圖4所示.

圖4 四相集中式步進電機硬件電路圖

3 油路無線控制系統設計

3.1 EDGE系統程序流程設計

EDGE無線模塊MSC1210在實現數據傳輸的過程中采用TCP/IP網絡協議來實現無線信號的傳輸控制，MSC1210解決了遠程數據傳輸、中央監控中心與 ZigBee射頻芯片之間的無線通信問題.EDGE的實時數據傳輸機制實現了收發信息的即時性，無需多次建立傳輸鏈接［8］.

MSC1210模塊軟件設計主要包括:系統模塊初始化、建立EDGE網絡、網絡通道工作、Socket連接是否正常、循環掃描、發送處理和接收處理等.MSC1210模塊主程序流程如圖5所示.

圖5 MSC1210模塊主程序流程

3.2 ZigBee系統程序流程設計

JN5148無線射頻芯片與 MSC1210模塊通過RS232接口進行數據通信，并且將中央監控中心的油路控制命令轉發至油路控制終端.JN5148無線射頻芯片軟件流程設計如圖6所示.

圖6 協調器和終端設備節點程序流程

3.3 系統整體運行方案

當油路無線控制系統處于正常運行狀態時，各油路節點根據DHCP協議自動獲取IP地址，并且將IP地址發送至Zigbee協調器，以供消息互通實現三層數據包傳送路由功能.當網絡油路節點處于穩定無更新狀態后，Zigbee默認傳輸節點鏈路建立完成，自動將油路節點IP地址表通過RS323節點傳送給EDGE模塊，EDGE地址備份之后自動將IP地址表通過RS323口發送給中央監控中心進一步存儲.

油路無線控制系統的數據傳輸采用TCP/IP協議完成，EDGE通過RS323將控制信息傳送至Zigbee處理器上，Zigbee處理器將數據經過地址解析，傳送至各油路節點實現中央監控中心的參數調整、油路流速和油路流量的遠程無線控制.

4 結語

基于無線網絡和無線傳輸技術的油路無線控制系統解決了傳統人工控制石油管道的流量、流速的方式，需要大量人力、物力，管理效率不高的問題.本文完成了油路無線控制系統總體結構設計，給出了油路無線控制系統的硬件結構設計和油路無線控制系統的軟件程序設計.基于無線通信技術的油路無線控制系統促進了無線技術在自動化控制領域中的發展，解決了遠程油路控制的問題.

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(責任編輯:王前)

TP39

A

1008－7974(2016)06－0020－03

10.13877/j.cnki.cn22－1284.2016.12.006

2016－05－25

安徽省優秀青年人才支持計劃項目(gxfxZD2016256);安徽省高等教育質量工程項目(2014mooc056，2015ckjh102);宿州學院優秀青年人才支持計劃項目(2014XQNRL007)

李海濤，男，安徽宿州人，教師.