基于STM32F103C8T6和ZigBee的油井壓力監控系統研究

摘 要：根據我國大部分油田偏遠分散布線不利的特點，在目前多數油田監控采用485總線等進行遠程通信的現狀基礎上，設計了采用32位Cortex-M3 內核的STM32F103C8T6和ENC28J60嵌入式服務器，并利用ZigBee傳感網絡發送BMP085采集的壓力和溫度數據到該服務器，由服務器再通過以太網發送至監控端的壓力監控系統。相比485總線，本設計在傳輸速率等方面具有顯著提升且性能穩定，從而為油田信息化和自動化監控提供了一個有效方案。

關鍵詞：STM32F103C8T6；ENC28J60；ZigBee；油田；壓力數據；

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2014）06-0038-04

0引言

目前我國大多數油田地處偏遠地區、分布范圍廣、油井分散，若對油井出現的異常情況不能及時發現，及時采取措施， 可能直接導致原油產量降低，設備使用壽命減短，能耗增加，有時甚至會造成嚴重的經濟損失，降低了經濟效益[1]。壓力和溫度是油井抽油機正常工作的重要指標，所以本文設計的重點在壓力和溫度數據的采集和監控。

傳統的徒手抄計和便攜式存儲已不再適合油井開采現場數據采集中，在線遠傳階段已經到來[2]，信息化、自動化的遠程集中監控是一個必然發展趨勢。目前少數的遠程監控系統通常采用8位或16位主芯片，通過485總線等方式進行遠程通信，系統存在反應速度慢、數據傳輸速率低、布線復雜易受干擾等缺點[3]。

本文設計的油井壓力數據監控系統現場數據采集和傳輸設計應用ZigBee傳感器網絡進行功能實現，嵌入式服務器部分采用32位Cortex-M3 內核的STM32F103C8T6微處理芯片和高性能以太網控制芯片ENC28J60實現嵌入式以太網通信接口設計。

1系統總體構成方案

整個系統分為數據采集發送端和數據接收監測端兩部分，系統總體結構如圖1所示。

數據采集發送端負責油井現場每間隔一段時間采集一次壓力數據，并通過ZigBee節點設備發送至嵌入式服務器中的協調器。

數據接收監測端由ZigBee協調器、STM32控制器和上位機監控軟件組成，協調器負責接收由ZigBee節點發送過來的無線數據，并傳送至STM32控制器通過以太網把數據發送給遠程監控PC進行查看和控制。

圖1監控系統總體構成

2系統硬件設計

2.1數據采集發送端

數據采集發送端的硬件設計主要為傳感器節點硬件設計，ZigBee節點選用 TI 公司生產的 CC2530 片上系統芯片來設計， 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個引腳。該芯片除了具有符合 IEEE802.15.4 規范的 2.4 GHz 標準的RF收發器外，它還在片內集成了一個 8 位的 8051 增強型微處理器、8 KB 的 SRAM 和大容量 FLASH（用來保存 ZigBee 協議棧）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，反應時間為7.5 ms，該傳感器應用于抽油機原油壓力數據的測量中，合適的測量范圍決定了靈敏度符合設計要求。同時它具有溫度補償功能，采用無鉛陶瓷載體封裝，適用在海拔500 m～9 000 m環境，保證工作狀態長期穩定。

CC2530通過I/O口與BMP085相連，CC2530內部處理器與BMP085之間采用IIC總線進行通信。傳感器采集到壓力和溫度數據，經AD轉換傳送給片內8051微處理器，微處理器控制傳感器節點與其它傳感器節點或匯聚節點進行通信。RF無線收發器，通過SPI與處理器模塊相連。其傳感器節點的硬件框圖如圖2所示。

圖2傳感器節點硬件結構框圖

2.2數據監測接收端

數據監測接收端的硬件設計主要分為兩部分：ZigBee協調器、STM32嵌入式以太網控制服務器設計。

ZigBee協調器同樣選用CC2530芯片進行設計， 但為了與主處理器連接方便，本文把協調器做成一個模塊，其引腳定義如圖3所示。

圖3ZigBee協調器引腳定義圖

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

STM32嵌入式以太網控制服務器的硬件設計采用基于Cortex-M3內核的處理器STM32F103CBT6作為服務器主處理器，高性能完全滿足設計要求，以太網芯片采用美國Microchip公司的獨立以太網控制器ENC28J60，它采用速度高達10 Mb/s的SPI三線接口作為通信通道，同時內部集成了符合IEEE802.3規則的 MAC 層和物理層控制器 [4]。

按照STM32指導手冊，一個完整的STM32最小系統還外接所需的晶振和去耦電路。其中STM32 的 PA2、PA3 引腳是復用功能引腳作為 USART2 串口與 CC2530 的串口引腳相連，另外本系統主處理器內部移植了 uIP 協議，通過 USART2 和 CC2530 連接，設置了一個緩沖隊列保存串口接收帶的無線模塊的數據，然后應用 uIP 的底層驅動控制 ENC28J60，利用以太網發送到上位機。

根據ENC28J60用戶手冊和本設計的要求，本設計選用了符合10BASE-T標準并自帶RJ45插座的以太網隔離變壓器HR91102A，提高系統的抗干擾性。變壓器需在ENC28J60 的TPIN 和TPOUT兩引腳相連四個50 Ω電阻和兩個0.01 uF的電容ENC28J60連接一個25 MHz的晶振，跨接一個2.75 kΩ的偏置電阻均按手冊連接。圖4所示是STM32嵌入式以太網服務器原理圖。圖中STM32程序下載設計使用的是標準的JTAG仿真調試接口。

圖4STM32嵌入式以太網服務器原理圖

3系統軟件設計

3.1系統總體設計圖

系統總體實現的功能是將油井現場的抽油機壓力數據在ZigBee物聯傳感網絡中從節點設備發送至嵌入式服務器中的協調器。為了服務器處理和連接方便，本文將ZigBee協調器和STM32做成了一個模塊。協調器經過初始化，選擇頻道和建立網絡后，進入無線監聽狀態，當有新的傳感器節點申請加入時，給新節點分配網絡地址并接受節點數據通過串口發送給STM32處理器，通過以太網上傳至上位監控PC，系統總體流程如圖5所示。

圖5系統總體工作流程圖

3.2ZigBee節點和協調器軟件設計

本系統利用 SensorDemo模板并進行部分改寫來實現 ZigBee 節點和協調器的軟件設計。在 Zigbee 無線網絡中存在三種邏輯設備類型：協調器（ZC）、路由器（ZR）、

終端設備（ZD）[6]。ZigBee的開發軟件選用IAR EW8051-8.10.1 ，Z-Stack協議棧選用ZStack-CC2530-2.5.0，本系統為了操作方便，將SensorDemo改動去掉按鍵操作，上電即自動聯網并發送傳感器數據。重點對void zb_HandleKeys（ uint8 shift， uint8 keys ）的改動是刪除程序中的SW1等的按鍵觸發事件；核心對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（）；

}

….

}

}

程序運行至此，終端節點就會自動加入網絡并建立綁定；到了這一步的時候，網絡就已經形成了，網絡形成后就可以傳輸采集到的壓力和溫度數據了；程序中需要注意的是CC2530將協調器稱為gateway（網關）而不是collector。

3.3嵌入式以太網STM32軟件設計

嵌入式以太網服務器要實現的功能是通過USART2接收CC2530傳送的數據，并通過SPI1連接ENC28J60從以太網上傳數據到監控PC。以太網服務器經過對STM32和ENC28J60進行初始化，設置系統時鐘和引腳輸出方式，配置SPI總線符合ENC28J60

的時序要求，對ENC28J60的初始化是通過SPI總線對它的寄存器進行配置實現的，主要設置收發緩沖區的大小和起始地址、設置以太網過濾器、配置MAC層、物理層和LED指示燈等[4]。STM32F103可通過SPI接口發送命令，訪問ENC28J60的相關寄存器來完成相應的操作。下面給出ENC28J60接收／發送數據包的程序框架：

ENC28J60發送數據包程序框架如下：

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接收數據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高層協議uIP移植和應用層主程序的設計

完成了MAC 層及物理層協議的驅動程序，要想實現嵌入式以太網服務器與其它設備之間的通信，還要在嵌入式系統中實現更高層的 TCP/IP 協議。本文選用uIP1.0協議棧并對其適當精簡來實現功能。uIP協議棧由瑞典計算機科學研究所的AdamDunkels開發的免費、開發源代碼的協議棧[7]。在本系統中程序首先用中斷的方式接收 ZigBee協調器發送給主處理器串口的數據，并設置接收隊列暫存這些數據。在主程序中的主要任務是不斷監測串口的標志位，當有數據時，把數據添高位封裝后，通過 ENC28J60 的以太網接口發送到上位機監測軟件中。其工作流程圖見圖6所示。

圖6uIP協議棧應用層向網絡發送數據的流程圖

4結語

本文設計的基于STM32F103C8T6和ENC28J60的嵌入式服務器，利用ZigBee傳感網絡發送BMP085采集的壓力和溫度數據到服務器，服務器再通過以太網發送至監控端，設計穩定可靠，為油田業信息化監控提供了一個有效方案。

參 考 文 獻

[1]雷文禮，楊延寧，劉巧平，等. 基于ZigBee技術的油井無線視頻監測系統研究[J].計算機工程與應用，2009（5）：91-94.

[2]母長綿.油井數據采集遠程監控方案的探索與實施[J].科技創新導報，2012（9）：92.

[3]陳曦，楊佐龍，周智恒，等. 關于Zigbee定位參考節點布局方案的研究[J].中國科技信息，2013（12）： 95.

[4]楊嘯宇.基于Cortex-M3的無線射頻數據采集和傳輸系統研究[D].天津：天津理工大學，2011.

[5]周志敏，紀愛華.電磁兼容技術[M].北京：電子工業出版社，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，機械電子工程。研究方向為數控系統與微機控制。

周建平，男，教授，研究生導師。

許 燕，女，副教授，研究生導師。

李 鴻，女，碩士，機械電子工程。研究方向為數控系統與微機控制。