２４ＸＳｔｒｅａｍ無線模塊在錄井數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應用

于云華　鄭淑慧　戴永壽　孫洪濤

摘要：在錄井無線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式，系統(tǒng)采用太陽能供電，一方面要保證數(shù)據(jù)準確性，同時要降低系統(tǒng)功耗。本文介紹了采用2.4GHz的XStream錄井無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的整體設計方案?，F(xiàn)場應用表明，無線傳輸系統(tǒng)能夠低功耗、高可靠性地穩(wěn)定工作，完全滿足錄井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸要求。

關鍵詞：24XStream錄井數(shù)據(jù)傳輸；低功耗；無線模塊

引言

在傳統(tǒng)的石油錄井工業(yè)中，數(shù)據(jù)信號傳輸是采用“一對一”方式的RS-485總線傳輸，技術含量低、通用性差、可靠性低。近年來，基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸方式得到發(fā)展，國內(nèi)外先后出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線(Lon Works、CAN等)的錄井儀器設備?，F(xiàn)場總線技術的使用一定程度上減小了布線工作量，但由于有線供電的需要，也無法大量減少布線。而且，必須在開鉆前鋪設好通訊線路和供電線路，在井場搬遷過程中拆卸和安裝工作量大，容易導致設備的損壞。特別是小型錄井儀，主要應用于生產(chǎn)井，測量參數(shù)較少，鉆井周期較短，這樣傳感器的拆裝工作就顯得尤為繁瑣。根據(jù)小型錄井儀的應用特點，將短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術引入錄井數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，取代井場上工程參數(shù)短距離有線線纜傳輸，可以避免以上所述的各種弊端。

無線傳輸方式與無線電臺的選擇

在錄井工程中，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況的不同，現(xiàn)場傳感器與儀器房之間的距離在幾十米到幾百米不等，屬于短距離無線通信。目前可應用于工業(yè)領域的短距離無線通信技術主要有：紅外線數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)、無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee和超寬帶無線電(UWB)等，這些技術各有特點和適用范圍。

紅外線數(shù)據(jù)傳輸不受無線電干擾，不需要申請頻率，但它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準、通視，中間不能有阻擋。由于井場上各傳感器的位置、距離等不確定，因此，不適合用于井場數(shù)據(jù)傳輸。

無線局域網(wǎng)802.11b技術是一種基于電磁波傳輸?shù)臒o線通信技術，使用2.4GHz ISM頻段。該通訊方式具有速率高(可達11Mbit／s)、覆蓋范圍大(可達300m)的特點，但是它的功耗過大，對于使用電池供電的錄井傳感器而言是個致命缺陷。

藍牙技術同樣是一種基于電磁波傳輸?shù)臒o線短距離通信技術，通信頻段亦為2.4GHzISM頻段，可提供1Mbit／s傳輸速率和10m傳輸距離。

ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，工作在2.4GHz ISM公共頻段。有效覆蓋范圍10～75m之間，數(shù)據(jù)傳輸速率10kB／s～250kB／s。

超寬帶無線電是近年來發(fā)展迅猛的新型通信方式，它是基于沖激脈沖自身的寬頻譜特性，通過對具有特殊波形的沖激脈沖進行調(diào)制獲得載有信息且符合頻帶要求的無線電信號。超寬帶無線電直接發(fā)射脈沖，不需中頻和射頻電路，有利于減小體積和降低能源消耗。

綜合考慮可靠性、數(shù)據(jù)傳輸實時性、低功耗和成本等各種因素，采用美國MaxStream公司的低功耗、高速無線數(shù)傳電臺24XStream，具有以下突出特點：工作頻率為2.4GHz，該頻段無授權限制，同時避免了同現(xiàn)場低頻信號及公用無線通信頻段的碰撞，傳輸可靠；使用時只要將DB9接口與PC或微處理器相連，通過串口向電臺發(fā)送數(shù)據(jù)，在另一端從電臺串口讀取數(shù)據(jù)就能實現(xiàn)無線通信；工業(yè)級產(chǎn)品工作溫度40～85℃，可以滿足鉆井現(xiàn)場要求；傳輸距離在室內(nèi)或城市不接天線工作也能達到180m的傳輸距離，在室外空曠地區(qū)配以天線傳輸距離高達幾千米，可以滿足錄井現(xiàn)場的應用條件要求。

錄井無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構設計如圖1所示，將井場采集板和數(shù)傳電臺通過串口連接，采集的數(shù)據(jù)由測量節(jié)點發(fā)送到錄井儀器房。錄井儀器房主計算機與現(xiàn)場無線采集傳輸節(jié)點之間的通信網(wǎng)絡結(jié)構是一點對多點的主從結(jié)構，數(shù)據(jù)傳輸量不大，由主計算機來按照一定的周期，通過指令依次巡檢各個現(xiàn)場無線采集傳輸模塊并收集數(shù)據(jù)。

錄井無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議

系統(tǒng)采用異步串行通信方式傳輸測量數(shù)據(jù)，錄井無線數(shù)據(jù)傳輸工作流程如下：

·主計算機發(fā)出命令，要求某個現(xiàn)場無線采集傳輸模塊采集信號并上傳數(shù)據(jù)；

·相應的現(xiàn)場無線采集傳輸模塊接收到命令后采集被測參數(shù)信號，并把處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到主計算機；

·該現(xiàn)場無線采集傳輸模塊上傳數(shù)據(jù)之后進入等待狀態(tài)，直到監(jiān)控計算機巡檢完所有的無線采集模塊后，再次向該采集傳輸模塊發(fā)出命令。

系統(tǒng)是一點對多點通信，需要進行數(shù)字電臺與單片機、終端主控機的通信協(xié)議的設計。數(shù)傳電臺24XStream點對點之間有固有的通信協(xié)議，具有自己的幀格式標準，對所傳輸數(shù)據(jù)采用CRC校驗。對用戶來說，數(shù)據(jù)傳輸是透明的。用戶可以根據(jù)應用系統(tǒng)要求，在外部再封裝一層自己的協(xié)議，進一步提高數(shù)據(jù)準確性。

本系統(tǒng)采取9600bit／s串口通信速率。單片機讀取到前端數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)打包、加幀頭、加校驗碼和填充數(shù)據(jù)以構成傳輸幀，而后將數(shù)據(jù)經(jīng)由串行口發(fā)送至無線傳輸電臺，在2.4GHz的頻段上調(diào)制后以9600bit／s的數(shù)據(jù)率進行無線發(fā)射。

由于錄井數(shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點個數(shù)有多個，而且在錄井過程中是同時在工作的，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，要實現(xiàn)輪循工作。賦予每個節(jié)點一個地址，在每幀數(shù)據(jù)中引入了對每塊數(shù)據(jù)采集板的編號，即給每塊采集板賦予不同的地址，按地址循環(huán)訪問，構成一個由一臺主機和多個傳感器節(jié)點組成的通信網(wǎng)絡。上位機訪問節(jié)點時就發(fā)出相應地址命令，下位機將數(shù)據(jù)封裝為一個幀，將地址字節(jié)作為該幀幀頭，上位機根據(jù)幀頭分離數(shù)據(jù)類型，將收到的數(shù)據(jù)分別存儲到對應的數(shù)據(jù)庫，做數(shù)據(jù)的處理和解釋。

通信首先必須實現(xiàn)正確雙方的正確握手，令上位機電臺站發(fā)送一個字節(jié)地址，下位機在收到1個字節(jié)后與本節(jié)點原始固定地址進行比較驗證，地址與本節(jié)點地址相符后，即驗證通過，握手成功，表示上位機有數(shù)據(jù)發(fā)送請求，下位機準備數(shù)據(jù)讀取的動作，之后上傳實際測量的物理量字節(jié)；如沒有收到本節(jié)點地址信息，則未通過，不會啟動上傳數(shù)據(jù)程序。規(guī)定一幀數(shù)據(jù)包含6個字節(jié)，第1個字節(jié)是數(shù)據(jù)源地址標識，第2、3、4個字節(jié)是對應物理量的十六進制表示值，第5個字節(jié)是鉛酸蓄電池電壓值，最后一個字節(jié)是和校驗字節(jié)，系統(tǒng)中采用和校驗，對一幀數(shù)據(jù)的前5個字節(jié)進行加和運算。上位機收到一幀數(shù)據(jù)后，進行同樣的運算，將運算結(jié)果同本幀數(shù)據(jù)的最后一個字節(jié)進行比較，如若相同，則數(shù)據(jù)正確；如若不同，表示該幀數(shù)據(jù)出錯，予以丟棄。

現(xiàn)場應用試驗證明，在錄井系統(tǒng)這種數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高、數(shù)據(jù)量不大的應用情況下，以上協(xié)議可以滿足系統(tǒng)要求。