基于STM32F103C8T6和ZigBee的油井壓力監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘 要：根據(jù)我國大部分油田偏遠(yuǎn)分散布線不利的特點(diǎn)，在目前多數(shù)油田監(jiān)控采用485總線等進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了采用32位Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6和ENC28J60嵌入式服務(wù)器，并利用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送BMP085采集的壓力和溫度數(shù)據(jù)到該服務(wù)器，由服務(wù)器再通過以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控端的壓力監(jiān)控系統(tǒng)。相比485總線，本設(shè)計(jì)在傳輸速率等方面具有顯著提升且性能穩(wěn)定，從而為油田信息化和自動(dòng)化監(jiān)控提供了一個(gè)有效方案。

關(guān)鍵詞：STM32F103C8T6；ENC28J60；ZigBee；油田；壓力數(shù)據(jù)；

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2014）06-0038-04

0引言

目前我國大多數(shù)油田地處偏遠(yuǎn)地區(qū)、分布范圍廣、油井分散，若對(duì)油井出現(xiàn)的異常情況不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)采取措施， 可能直接導(dǎo)致原油產(chǎn)量降低，設(shè)備使用壽命減短，能耗增加，有時(shí)甚至?xí)斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，降低了經(jīng)濟(jì)效益[1]。壓力和溫度是油井抽油機(jī)正常工作的重要指標(biāo)，所以本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。

傳統(tǒng)的徒手抄計(jì)和便攜式存儲(chǔ)已不再適合油井開采現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中，在線遠(yuǎn)傳階段已經(jīng)到來[2]，信息化、自動(dòng)化的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控是一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)。目前少數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通常采用8位或16位主芯片，通過485總線等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，系統(tǒng)存在反應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)傳輸速率低、布線復(fù)雜易受干擾等缺點(diǎn)[3]。

本文設(shè)計(jì)的油井壓力數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)計(jì)應(yīng)用ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，嵌入式服務(wù)器部分采用32位Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103C8T6微處理芯片和高性能以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)總體構(gòu)成方案

整個(gè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收監(jiān)測端兩部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送端負(fù)責(zé)油井現(xiàn)場每間隔一段時(shí)間采集一次壓力數(shù)據(jù)，并通過ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送至嵌入式服務(wù)器中的協(xié)調(diào)器。

數(shù)據(jù)接收監(jiān)測端由ZigBee協(xié)調(diào)器、STM32控制器和上位機(jī)監(jiān)控軟件組成，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收由ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的無線數(shù)據(jù)，并傳送至STM32控制器通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控PC進(jìn)行查看和控制。

圖1監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)成

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)采集發(fā)送端

數(shù)據(jù)采集發(fā)送端的硬件設(shè)計(jì)主要為傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)，ZigBee節(jié)點(diǎn)選用 TI 公司生產(chǎn)的 CC2530 片上系統(tǒng)芯片來設(shè)計(jì)， CC2530芯片采用6X6QFN封裝，有電源引腳、控制引腳和GPIO引腳（P0、P1為8位的I/O引腳，P2只有5位的可用I/O），總共40個(gè)引腳。該芯片除了具有符合 IEEE802.15.4 規(guī)范的 2.4 GHz 標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)器外，它還在片內(nèi)集成了一個(gè) 8 位的 8051 增強(qiáng)型微處理器、8 KB 的 SRAM 和大容量 FLASH（用來保存 ZigBee 協(xié)議棧）等[4]。

壓力傳感器采用BMP085壓力傳感器，它的測量范圍為300～1 100 hPa，反應(yīng)時(shí)間為7.5 ms，該傳感器應(yīng)用于抽油機(jī)原油壓力數(shù)據(jù)的測量中，合適的測量范圍決定了靈敏度符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)它具有溫度補(bǔ)償功能，采用無鉛陶瓷載體封裝，適用在海拔500 m～9 000 m環(huán)境，保證工作狀態(tài)長期穩(wěn)定。

CC2530通過I/O口與BMP085相連，CC2530內(nèi)部處理器與BMP085之間采用IIC總線進(jìn)行通信。傳感器采集到壓力和溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換傳送給片內(nèi)8051微處理器，微處理器控制傳感器節(jié)點(diǎn)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。RF無線收發(fā)器，通過SPI與處理器模塊相連。其傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件框圖如圖2所示。

圖2傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2數(shù)據(jù)監(jiān)測接收端

數(shù)據(jù)監(jiān)測接收端的硬件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：ZigBee協(xié)調(diào)器、STM32嵌入式以太網(wǎng)控制服務(wù)器設(shè)計(jì)。

ZigBee協(xié)調(diào)器同樣選用CC2530芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)， 但為了與主處理器連接方便，本文把協(xié)調(diào)器做成一個(gè)模塊，其引腳定義如圖3所示。

圖3ZigBee協(xié)調(diào)器引腳定義圖

圖3中，CC2530的I/O引腳（P0.2和P0.3）通過設(shè)定SFR寄存器作為USART的RX和TX引腳使用，與STM32的USART串口引腳相連進(jìn)行通訊。

STM32嵌入式以太網(wǎng)控制服務(wù)器的硬件設(shè)計(jì)采用基于Cortex-M3內(nèi)核的處理器STM32F103CBT6作為服務(wù)器主處理器，高性能完全滿足設(shè)計(jì)要求，以太網(wǎng)芯片采用美國Microchip公司的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器ENC28J60，它采用速度高達(dá)10 Mb/s的SPI三線接口作為通信通道，同時(shí)內(nèi)部集成了符合IEEE802.3規(guī)則的 MAC 層和物理層控制器 [4]。

按照STM32指導(dǎo)手冊(cè)，一個(gè)完整的STM32最小系統(tǒng)還外接所需的晶振和去耦電路。其中STM32 的 PA2、PA3 引腳是復(fù)用功能引腳作為 USART2 串口與 CC2530 的串口引腳相連，另外本系統(tǒng)主處理器內(nèi)部移植了 uIP 協(xié)議，通過 USART2 和 CC2530 連接，設(shè)置了一個(gè)緩沖隊(duì)列保存串口接收帶的無線模塊的數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用 uIP 的底層驅(qū)動(dòng)控制 ENC28J60，利用以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)。

根據(jù)ENC28J60用戶手冊(cè)和本設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)選用了符合10BASE-T標(biāo)準(zhǔn)并自帶RJ45插座的以太網(wǎng)隔離變壓器HR91102A，提高系統(tǒng)的抗干擾性。變壓器需在ENC28J60 的TPIN 和TPOUT兩引腳相連四個(gè)50 Ω電阻和兩個(gè)0.01 uF的電容ENC28J60連接一個(gè)25 MHz的晶振，跨接一個(gè)2.75 kΩ的偏置電阻均按手冊(cè)連接。圖4所示是STM32嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器原理圖。圖中STM32程序下載設(shè)計(jì)使用的是標(biāo)準(zhǔn)的JTAG仿真調(diào)試接口。

圖4STM32嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器原理圖

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)的功能是將油井現(xiàn)場的抽油機(jī)壓力數(shù)據(jù)在ZigBee物聯(lián)傳感網(wǎng)絡(luò)中從節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送至嵌入式服務(wù)器中的協(xié)調(diào)器。為了服務(wù)器處理和連接方便，本文將ZigBee協(xié)調(diào)器和STM32做成了一個(gè)模塊。協(xié)調(diào)器經(jīng)過初始化，選擇頻道和建立網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入無線監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)有新的傳感器節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)，給新節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址并接受節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給STM32處理器，通過以太網(wǎng)上傳至上位監(jiān)控PC，系統(tǒng)總體流程如圖5所示。

圖5系統(tǒng)總體工作流程圖

3.2ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用 SensorDemo模板并進(jìn)行部分改寫來實(shí)現(xiàn) ZigBee 節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)。在 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（ZC）、路由器（ZR）、

終端設(shè)備（ZD）[6]。ZigBee的開發(fā)軟件選用IAR EW8051-8.10.1 ，Z-Stack協(xié)議棧選用ZStack-CC2530-2.5.0，本系統(tǒng)為了操作方便，將SensorDemo改動(dòng)去掉按鍵操作，上電即自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)并發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。重點(diǎn)對(duì)void zb_HandleKeys（ uint8 shift， uint8 keys ）的改動(dòng)是刪除程序中的SW1等的按鍵觸發(fā)事件；核心對(duì)void zb_HandleOsalEvent（ uint16 event ）的改寫如下：

void zb_HandleOsalEvent（ uint16 event ）

{

uint8 logicalType；

……

if（ event ZB_ENTRY_EVENT ）

{

initUart（uartRxCB）；

HalLedBlink （ HAL_LED_1， 0， 50， 500 ）；

HalLedSet（ HAL_LED_2， HAL_LED_MODE_OFF ）；

zb_ReadConfiguration（ ZCD_NV_LOGICAL_TYPE， sizeof（uint8）， logicalType ）；

if （ logicalType != ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR）

{

logicalType = ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR；

zb_WriteConfiguration（ZCD_NV_LOGICAL_TYPE， sizeof（uint8）， logicalType）；

zb_SystemReset（）；

}

….

}

}

程序運(yùn)行至此，終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)并建立綁定；到了這一步的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)就已經(jīng)形成了，網(wǎng)絡(luò)形成后就可以傳輸采集到的壓力和溫度數(shù)據(jù)了；程序中需要注意的是CC2530將協(xié)調(diào)器稱為gateway（網(wǎng)關(guān)）而不是collector。

3.3嵌入式以太網(wǎng)STM32軟件設(shè)計(jì)

嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)的功能是通過USART2接收CC2530傳送的數(shù)據(jù)，并通過SPI1連接ENC28J60從以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控PC。以太網(wǎng)服務(wù)器經(jīng)過對(duì)STM32和ENC28J60進(jìn)行初始化，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和引腳輸出方式，配置SPI總線符合ENC28J60

的時(shí)序要求，對(duì)ENC28J60的初始化是通過SPI總線對(duì)它的寄存器進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)的，主要設(shè)置收發(fā)緩沖區(qū)的大小和起始地址、設(shè)置以太網(wǎng)過濾器、配置MAC層、物理層和LED指示燈等[4]。STM32F103可通過SPI接口發(fā)送命令，訪問ENC28J60的相關(guān)寄存器來完成相應(yīng)的操作。下面給出ENC28J60接收／發(fā)送數(shù)據(jù)包的程序框架：

ENC28J60發(fā)送數(shù)據(jù)包程序框架如下：

void enc28j60PacketSend（unsigned int len， unsigned char* packet）

{

enc28j60Write（EWRPT， （TXSTART_INIT）0xFF）；

enc28j60Write（ETXND，（TXSTART_INIT+len）0xFF）；

enc28j60WriteOp（ENC28J60_WRITE_BUF_MEM， 0， 0x00）；

enc28j60WriteBuffer（len， packet）；

enc28j60WriteOp（ENC28J60_BIT_FIELD_SET， ECON1， EC

ENC28J60接收數(shù)據(jù)包主要框架程序如下：

unsigned int enc28j60PacketReceive（unsigned int maxlen， unsigned char* packet）

{

enc28j60Write（ERDPT， （NextPacketPtr））；

NextPacketPtr=enc28j60ReadOp（ENC28J60_READ_BUF_MEM， 0）；

NextPacketPtr|=enc28j60ReadOp（ENC28J60_READ_BUF_MEM， 0）<<8；

len = enc28j60ReadOp（ENC28J60_READ_BUF_MEM， 0）；

len |= enc28j60ReadOp（ENC28J60_READ_BUF_MEM， 0）<<8；

rxstat=enc28j60ReadOp（ENC28J60_READ_BUF_MEM， 0）；

rxstat |= enc28j60ReadOp（ENC28J60_READ_BUF_MEM， 0）<<8；

enc28j60ReadBuffer（len， packet）；

return（len）；

}

3.4高層協(xié)議uIP移植和應(yīng)用層主程序的設(shè)計(jì)

完成了MAC 層及物理層協(xié)議的驅(qū)動(dòng)程序，要想實(shí)現(xiàn)嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器與其它設(shè)備之間的通信，還要在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高層的 TCP/IP 協(xié)議。本文選用uIP1.0協(xié)議棧并對(duì)其適當(dāng)精簡來實(shí)現(xiàn)功能。uIP協(xié)議棧由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的AdamDunkels開發(fā)的免費(fèi)、開發(fā)源代碼的協(xié)議棧[7]。在本系統(tǒng)中程序首先用中斷的方式接收 ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送給主處理器串口的數(shù)據(jù)，并設(shè)置接收隊(duì)列暫存這些數(shù)據(jù)。在主程序中的主要任務(wù)是不斷監(jiān)測串口的標(biāo)志位，當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)添高位封裝后，通過 ENC28J60 的以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)測軟件中。其工作流程圖見圖6所示。

圖6uIP協(xié)議棧應(yīng)用層向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于STM32F103C8T6和ENC28J60的嵌入式服務(wù)器，利用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送BMP085采集的壓力和溫度數(shù)據(jù)到服務(wù)器，服務(wù)器再通過以太網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控端，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，為油田業(yè)信息化監(jiān)控提供了一個(gè)有效方案。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]雷文禮，楊延寧，劉巧平，等. 基于ZigBee技術(shù)的油井無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009（5）：91-94.

[2]母長綿.油井?dāng)?shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程監(jiān)控方案的探索與實(shí)施[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（9）：92.

[3]陳曦，楊佐龍，周智恒，等. 關(guān)于Zigbee定位參考節(jié)點(diǎn)布局方案的研究[J].中國科技信息，2013（12）： 95.

[4]楊嘯宇.基于Cortex-M3的無線射頻數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2011.

[5]周志敏，紀(jì)愛華.電磁兼容技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6] JIN Ming-Hui， YU Chih-hao， LAI Hung-Ren， et al. Zigbee positioning system for smart home application [J]. Lecture Notes in Computer Science， 2007， 56（3）： 1417-1425.

[7] UIP. The uIP embedded TCP/IP stack： the uIP 1.0 reference manual [R]. [S.l.]： UIP， 2006.

作者簡介：周利娜，女，碩士，機(jī)械電子工程。研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)與微機(jī)控制。

周建平，男，教授，研究生導(dǎo)師。

許 燕，女，副教授，研究生導(dǎo)師。

李 鴻，女，碩士，機(jī)械電子工程。研究方向?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)與微機(jī)控制。