摘 要

近年来，随着国内石化及其相关行业的发展，有越来越多的场合会用到管道运输，管道运输有他独到的好处，可以减少交通运输带来的成本问题，但有些管道地处偏远地区，这些地方不适合人工值守，这就给电动阀的工作及相关维护增添了麻烦，采用远程无线管理将会是一个好的解决办法，实现电动阀门的远程控制与管理及电动阀门相关数据的远程传输，可将现场工作集中到一个管理平台，实现对远距离且分散的目标的精确管理。

本设计采用wirelessHART协议来实现无线远程控制的，可减少由布线和维护带来的布线成本和人工维护费用。本设计以stm32单片机为控制核心，由无线模块、力矩检测模块和红外遥控模块组成，完成对电动执阀门的相关参数检测，以及和上位机之间的无线通讯，做到不用到现场即可对电动阀门进行控制。

关键词：电动执行机构、wirelessHART、远程管理、红外遥控

ABSTRACT

In recent years, with the development of domestic petrochemical and related industries, there are more and more occasions to use pipeline transportation. However, there are some key problems with the use of pipelines. Electric valves play an important role in long-distance oil and gas pipelines, but some pipelines are located in remote areas. For this problem, remote wireless management would be a good solution. To realize the remote control and management of electric valve and the remote transmission of data related to electric valve, the field work can be centralized to a management platform.

This design uses wirelessHART protocol to realize wireless control. In this way, the wiring and maintenance costs can be reduced. This design takes STM32 microcontroller as the control core, which will complete the detection of relevant parameters of the electric valve and the wireless communication with the upper computer. The electric valve can be controlled without going to the site.

key words: electric actuator; wirelessHART; Remote management

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的基本内容 2

1.4 论文结构安排 2

第2章 系统总体结构与分析 4

2.1 总体方案的设计与可行性分析 4

2.2 wirelessHART协议简介 5

第3章 系统的硬件设计 8

3.1 wirelessHART无线收发模块设计 8

3.1.1 无线收发芯片M1100S介绍 8

3.1.2 wirelessHART无线模块电路连接 11

3.2扭矩传感器模块设计 12

3.2.1 扭矩传感器介绍及选型 12

3.2.2 电阻应变式扭矩传感器的工作原理 14

3.2.3 扭矩传感器模块电路连接 15

3.3 红外遥控模块设计 15

3.3.1 红外线遥控基本原理 16

3.3.2 红外遥控电路连接 19

3.4主控制器模块设计 20

3.4.1 STM32芯片简介 20

3.4.2 系统整体电路设计 22

第4章 软件设计 23

4.1 wirelessHART无线收发模块 23

4.2 红外遥控模块 24

4.2.1 红外发射器 24

4.2.2 红外接收器 25

4.3 主控制器STM32 26

4.4 上位机 27

4.5 网关 27

第5章 总结与展望 29

致谢 30

参考文献 31

附录A:电气原理图 32

附录B：程序 33

第1章 绪论

1.1 引言

石油是一个国家发展的命脉，就如同血液对于人体生理机能的决定性作用一样，石化产品同样决定着国家经济繁荣与否，所以对于如此重要的战略能源，在其存储与运输的过程中采取更加合理的措施，设计新的方案来解决现有的问题是一件无比重要的事情，采取更加安全，经济，易行的方案会促进整个行业的发展。

石化产品在整个经济活动过程中的最为重要的环节在于石化产品的存储与运输，传统 的运输环节往往在阀门设置处安排人员进行管理，但有些地方地处偏远，环境恶劣，并不适合人类工作，而且安全性也不高，随时可能发生意外，所以采用无线远程管理的形式进行管理是迫切需要的，这种管理方式不需要人员到现场进行操作，直接将分布式的节点通过无线通信集中到一个操作室内，这样把多个阀门的管理就集中到了一个操控室内，节省了大量布线以及人员成本，也更加安全可靠。

本次设计所采用的是wirelessHART无线通信协议，现在，随着工业的发展，现场会趋向于无人化，越来越多的工人会被现场设备所取代，而这些工人则会被安排在一个集中控制室内，在这个控制室内包含了现场各种设备的状态信息，要想操控设备，只需要在操控室内按下相关按钮或者发出指令即可，剩下的交由自动化设备来完成。在这个过程中用到了无线通信，这是一个将更高级别的网络运用到过程的例子，工业现场通常会有大量测量仪表，数字仪器以及执行器。所以将互联网运用到工业过程中会更加的方便，不过现有的无线网络并不适合工业现场，所以在2007年wirelessHART得到了国际电工委员会的认可，随后便被采用为全球标准。

1.2 国内外研究现状

wirelessHART国内外研究现状：自2007年通信基金会发布WirelessHART以来针对其关健技术的研究一直是一个热点，主要包括路由算法，链路调度，时间同步等。各研究目的在于提高网络性能，延长网络寿命，使其更好地满足工业应用需求。比如在《工业无线网络高能效通信关键技术研究》这篇论文里，面向无线工业控制网络路由协议设计过程中实时性、可靠性与低功耗等相互制约的设计与优化目标，在保障传输延迟实时性的基础上，研究高可靠与低功耗的网络通信协议，旨在为设计高可靠、低功耗的实时无线工业控制网络系统提供理论基础与技术支撑。论文首先针对WirelessHART网络路由算法在路径选择时仅考虑信道质量作为路径选择依据带来的能耗与可靠性方面的弊端，将层数及转发节点剩余能量等因素融入链路选择过程中,在此基础上提出了一种可靠的图路由构建算法和高能效的链路选择算法来提升网络的鲁棒性并延长网络寿命^【6】。在《L p stability of networked control systems implemented on WirelessHART》一文中给出了基于无线传感器网络(WH)的网络化控制系统(ncs)输入输出lp稳定性的研究结果，提出了一个非线性的混合模型WH-NCSs，网络的多跳性质在这个模型中被转换成一个数学结构。然后再采用仿真方法来稳定网络控制系统。再比如《A New Method of Priority Assignment for Real-Time Flows in the WirelessHART Network by the TDMA Protocol》在多信道时分多址(TDMA)协议的基础上，研究了无线shart中实时流的优先级分配问题，以减少时延，提高调度率。文中提供了三种方法:(1)最坏拟合，(2)最佳拟合，(3)先拟合并选择最合适的，即最坏拟合方法来分配每个通道的流量。提出了两个启发式algorithms-a基于贪心策略的优先级分配算法对C(WF-C)和基于贪心策略的优先级分配算法对U (WF-U)——将优先分配给每个通道中的流动，其时间复杂度是O(mx(Nm**lOg(m), (N - m)2))。然后，建立了一个新的仿真模型来模拟实时流在WirelessHART中的传输。最后将两种算法与WF-D和HLS算法进行比较，比较的内容包括流集的端到端总时延的平均值、可调度流集的比例以及可调度性分析的计算时间。优化算法WF-C与HLS算法相比，减少了高达44.18%的延迟，提高了高达70.7%的可调度率，减少了计算时间。

1.3 研究的基本内容

本次设计是基于wirelessHART协议的无线传输系统的设计，其主要目标是实现集中管理平台与执行机构之间的无线通讯，管理平台向执行机构发送相关指令，实现电动执行机构的远程无线管理。设计基本内容：

1.确定各个功能模块选用的芯片，实现各模块的功能。