基于EDGE和ZigBee的油路无线控制系统的研究与设计*

李海涛，潘正高，张万礼

(宿州学院，安徽宿州234000)

基于EDGE和ZigBee的油路无线控制系统的研究与设计
*

李海涛，潘正高，张万礼

(宿州学院，安徽宿州234000)

传统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，为了解决这一问题设计了基于无线网络和无线传输技术的油路无线控制系统.首先，进行了油路无线控制系统总体结构的设计:中央控制系统、EDGE网络发送模块、ZigBee协调器模块和油路控制终端模块设计.然后，进行了油路无线控制系统的硬件结构设计:EDGE硬件结构图设计、ZigBee硬件结构图设计和步进电机硬件电路图设计.最后，进行了油路无线控制系统的软件程序设计:EDGE系统程序流程、ZigBee系统程序流程和系统整体流程方案设计.基于无线通信技术的油路无线控制系统解决了远程油路控制的需求，促进了无线技术在自动化控制领域中的发展.

EDGE网络;ZigBee无线技术;MSC1210模块;JN5148模块

传统石油生产领域的管道控制系统采用的人工监管、人工巡视、人工控制和人工管理的方式实现输油线路管道的控制，随着计算机网络和自动化技术的快速发展，“互联网+”技术可以通过无线传输网络和无线传输技术实现远程油路管道控制［1］.互联网技术和自动化技术的结合，能够提高石油输送和石油调度的效率，降低人工劳动成本［2］.

本文设计的基于无线通信技术的油路无线控制系统解决了远程油路控制的需求，促进了无线技术在自动化控制领域中的发展.

1 油路无线控制系统总体结构设计

油路无线控制系统主要包括了四个部分［3］:①中央控制系统:主要由中央监控系统(远程油路监视)、数据采集系统(系统运行参数)、LCD显示系统和警戒预警系统构成;②EDGE网络发送模块:利用2.75G网络实现数据传输，使用的是爱立信公司的MSC1210无线模块;③ZigBee协调器模块:实现数据的采集和短距发送，无线射频芯片采用的是Jennic公司的JN5148;④终端控制模块:采用的是四相集中式步进电机.

油路无线控制系统通过中央控制系统将控制命令和控制数据包发送至EDGE无线通信模块，无线模块将数据进行分析处理后通过RS323串口转发至ZigBee协调器.ZigBee射频芯片将油路控制命令通过路由节点将命令数据转发至终端节点，终端节点将命令脉冲传送至电机驱动电路实现电机的旋转控制［4］.步进电机可以通过旋转阀门实现油路的流量控制，油路无线控制系统总体结构如图1所示.

图1 油路无线控制系统总体结构设计

2 系统硬件设计

2.1 EDGE硬件结构图设计

EDGE无线通信模块实现了中央控制系统与ZigBee模块之间的数据转发功能，中央控制中心的系统参数控制和警戒预警控制等命令需要通过EDGE通过RS232串口远程传输至ZigBee网络协调器上进行处理，MSC1210模块和其外围电路匹配完全后可以进行远距离无线数据通信［5］.EDGE无线通信模块的硬件框图如图2所示.

图2 MSC1210模块硬件结构图

2.2 ZigBee硬件结构图设计

基于ZigBee技术的射频芯片JN5148电路模块主要包括:远程调试、供电、显示和电机控制接口四个模块.JN5148具备路由节点和终端节点程序下载、远程设备调试等功能［6］.JN5148芯片的硬件结构如图3所示.

图3 JN5148芯片硬件结构框图

2.3 步进电机硬件电路图

油路控制终端的速度和位置主要是利用步进电机的脉冲信号与角度位移、线性位移的开环元件，来控制电机的停止位置、电机转速脉冲数和电机转动频率［7］.油路无线控制系统采用了四相集中式步进电机，电机硬件电路图如图4所示.

图4 四相集中式步进电机硬件电路图

3 油路无线控制系统设计

3.1 EDGE系统程序流程设计

EDGE无线模块MSC1210在实现数据传输的过程中采用TCP/IP网络协议来实现无线信号的传输控制，MSC1210解决了远程数据传输、中央监控中心与 ZigBee射频芯片之间的无线通信问题.EDGE的实时数据传输机制实现了收发信息的即时性，无需多次建立传输链接［8］.

MSC1210模块软件设计主要包括:系统模块初始化、建立EDGE网络、网络通道工作、Socket连接是否正常、循环扫描、发送处理和接收处理等.MSC1210模块主程序流程如图5所示.

图5 MSC1210模块主程序流程

3.2 ZigBee系统程序流程设计

JN5148无线射频芯片与 MSC1210模块通过RS232接口进行数据通信，并且将中央监控中心的油路控制命令转发至油路控制终端.JN5148无线射频芯片软件流程设计如图6所示.

图6 协调器和终端设备节点程序流程

3.3 系统整体运行方案

当油路无线控制系统处于正常运行状态时，各油路节点根据DHCP协议自动获取IP地址，并且将IP地址发送至Zigbee协调器，以供消息互通实现三层数据包传送路由功能.当网络油路节点处于稳定无更新状态后，Zigbee默认传输节点链路建立完成，自动将油路节点IP地址表通过RS323节点传送给EDGE模块，EDGE地址备份之后自动将IP地址表通过RS323口发送给中央监控中心进一步存储.

油路无线控制系统的数据传输采用TCP/IP协议完成，EDGE通过RS323将控制信息传送至Zigbee处理器上，Zigbee处理器将数据经过地址解析，传送至各油路节点实现中央监控中心的参数调整、油路流速和油路流量的远程无线控制.

4 结语

基于无线网络和无线传输技术的油路无线控制系统解决了传统人工控制石油管道的流量、流速的方式，需要大量人力、物力，管理效率不高的问题.本文完成了油路无线控制系统总体结构设计，给出了油路无线控制系统的硬件结构设计和油路无线控制系统的软件程序设计.基于无线通信技术的油路无线控制系统促进了无线技术在自动化控制领域中的发展，解决了远程油路控制的问题.

［1］汪谢丹.基于ARM9和嵌入式Linux的BACnet建筑控制器的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2015.

［2］ELBERS，J.－P.，AUTENRIETH A.From static to BACnet optical networks［C］//International Conference on Optical Network Design and Modeling，2015(6):27－30.

［3］ITU－T G.8080/Y.1304 Architecture for the BACnet optical network［J］.2013(1):20－22.

［4］SHIOMOTO W.Requirements for generalizedBACnetrouting for automatically switched optical network［S］.IETF draft，2015.

［5］董春桥.智能建筑自控网络［M］.北京:清华大学出版社，2013.

［6］American Society of Heating，Refrigeration，and Air Conditioning Engineers Inc.ANSI/ASHARE BACnet Standard BACnet:A data communication protocol for building automation and control networks［J］.2014.

［7］魏峰，付东翔，王亚刚.ZigBee协议转换器的研究与实现［J］.自动化仪表，2012，33(9):3538.

［8］ALANQAR K.Requirements for BACnetbased multi－region and multi－layer networks(MRN/MLN)［J］.IETF draft，2015.

(责任编辑:王前)

TP39

A

1008－7974(2016)06－0020－03

10.13877/j.cnki.cn22－1284.2016.12.006

2016－05－25

安徽省优秀青年人才支持计划项目(gxfxZD2016256);安徽省高等教育质量工程项目(2014mooc056，2015ckjh102);宿州学院优秀青年人才支持计划项目(2014XQNRL007)

李海涛，男，安徽宿州人，教师.