基于ZigBee的油井無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

李中豪

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098）

據(jù)了解，一個油田的生產(chǎn)組織結構非常復雜，一個油田的采油場由多口油井以及其他分散設施組成。鑒于油井數(shù)量眾多，而且分布的范圍也由幾十平方公里擴展到上百平方公里，交通條件往往十分惡劣，而且自然環(huán)境也十分惡劣，晝夜溫差極大，直接導致對井口數(shù)據(jù)采集以及對現(xiàn)場監(jiān)測的工作難度增加[1]。后來隨著技術的發(fā)展，出現(xiàn)了應用GPRS，GSM，藍牙（Bluetooth）技術來采集這些數(shù)據(jù)的方法，但是經(jīng)過一些油田的使用發(fā)現(xiàn)也存在一些問題。例如這些設備造價昂貴，維護和運營費用高。針對此種情況，本文采用了ZigBee技術來設計了一個無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)[2]來實現(xiàn)油田數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控管理。

1 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構、通信協(xié)議和節(jié)點布置

油井無線數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡架構圖[3]如圖1所示。

1.1 網(wǎng)絡系統(tǒng)架構

1）單個油井的無線傳感器網(wǎng)絡 這一小的無線網(wǎng)絡主要由布置在油井各位置的無線傳感器組成，主要采集油井的脈沖、載荷、出油口的溫度和壓力。無線傳感器由相應的傳感器結合ZigBee模塊開發(fā)，無線通訊距離小于100 m，傳感器和油井的數(shù)據(jù)采集控制器之間互相組成了ZigBee網(wǎng)絡[3]。全部的數(shù)據(jù)最終集中到數(shù)據(jù)采集器中進行處理和計算，然后數(shù)據(jù)將通過另一無線網(wǎng)絡上傳。

2）油井間的無線網(wǎng)絡 這一網(wǎng)絡由油井間的數(shù)據(jù)集中控制器組成，數(shù)據(jù)集中控制器在系統(tǒng)中充當了網(wǎng)關的功能，將單個油井的數(shù)據(jù)進行整理后再通過油井間的無線網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)集中控制器采用短距離的無線模塊（通訊距離小于100m）結合大功率無線模塊（通訊距離小于1000m）開發(fā)，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)段傳輸。

3）監(jiān)控中心監(jiān)控中心采用相應的PC服務器和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和存儲，管理人員可以隨時了解各油井的工作情況和產(chǎn)量。

1.2 通信協(xié)議

IEEE 802.15.4規(guī)定ZigBee協(xié)議的幀結構由數(shù)據(jù)模式、目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和5部分構成，其格式如圖2所示[3]。

“數(shù)據(jù)模式”、“目的地址”、“數(shù)據(jù)長度”各占用一個字節(jié)。其中，“目的地址”表示此幀要發(fā)送的目的位置，即網(wǎng)絡節(jié)點號；“數(shù)據(jù)長度”表示該幀中數(shù)據(jù)信息的長度；“數(shù)據(jù)信息”表示要傳送的命令或有效數(shù)據(jù)，它所占用的字節(jié)數(shù)由所發(fā)送的數(shù)據(jù)長度決定；“校驗和”也占用一個字節(jié)。

油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議結構是建立在IEEE 802.15.4規(guī)定的ZigBee協(xié)議的基礎之上的，僅對其中的“數(shù)據(jù)信息”字段部分進行設計。將“數(shù)據(jù)信息”字段劃分為“節(jié)點信息”、“功能編碼”、“數(shù)據(jù)”3 部分，如圖 3 所示。

“節(jié)點信息”字段數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，其是低4位為RFD節(jié)點號，高4位為FFD節(jié)點號。根據(jù)高4位將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到對應的RFD，即對應的現(xiàn)場采集點。

1.3 節(jié)點布置

在無線傳感器網(wǎng)絡中，通過飛機布撒或者人工布置等方式[4]，可以將大量的節(jié)點放在被測對象的內部或者附近。這些節(jié)點采用自組織的方式構成無線網(wǎng)絡，之間相互協(xié)作，實時地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，最后由匯聚節(jié)點將整個區(qū)域內的信息傳送到遠程控制管理中心。反之，遠程管理中心也可以對網(wǎng)絡節(jié)點進行實時操控。

2 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術[4]，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)可以進入計算機，用于分析或者被另外一種無線技術收集。使用世界最新射頻技術和集成技術來生產(chǎn)迄今為止真正的低成本、低功耗、袖珍體積（名片大小）、高可靠性的擴頻無線數(shù)傳電臺；使用世界最新的無線互聯(lián)網(wǎng)絡技術，來實現(xiàn)所有數(shù)傳電臺之間不需中繼站的互聯(lián)網(wǎng)式通信。

3 傳感器節(jié)點設計

在無線傳感器節(jié)點各單元中，核心單元為處理器單元及射頻單元。處理器單元決定節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力，路由算法的運行速度以及無線傳感器網(wǎng)絡形式的復雜程度，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節(jié)點的整體能耗和節(jié)點的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響無線通信使用的頻段、節(jié)點間數(shù)據(jù)通信的收發(fā)速率以及節(jié)點的通信距離等。

本系統(tǒng)選用目前較為廣泛的JENNIC公司的JN5139作為主控芯片，以此設計出網(wǎng)絡中的協(xié)調器與終端節(jié)點。

JN5139是低功耗低成本適合于IEEE 802.15.4和ZigBee應用的無線微控制器[5]。在單芯片內集成了用于無線傳感器網(wǎng)絡的收發(fā)器和微控制器；成本敏感的ROM/RAM架構，滿足了批量應用的需要；元件數(shù)量少和成本低，從而實現(xiàn)了低系統(tǒng)BOM；硬件MAC可以保證實現(xiàn)低功耗和低處理器開銷；大量用戶外設；與JN5121引腳兼容，從而輕松實現(xiàn)了移植。它的內部結構圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。JN5139將處理器模塊和無線通信模塊整合在一起，所以只需要將傳感器模塊與電源模塊與之相連即可，如圖5所示。

鑒于無線傳感器節(jié)點是在戶外工作[6]，更換電池不太容易，且減小節(jié)點體積，所以采用可充電鋰離子鈕扣電池供電。一些傳感器電路的工作電流較強，因此應該采用突發(fā)式工作的方式，即在需要采集數(shù)據(jù)時才打開傳感電路工作，從而降低能耗。由于一般的傳感器都不具備休眠模式，因此最方便的辦法是控制傳感器的電源開關，實現(xiàn)對傳感器的狀態(tài)控制。對于僅需要小電池驅動的傳感器，可以考慮直接采用MCU的I/O端口作為供電電源，這種控制方式簡單而靈活；對于需要大電流驅動的傳感器，宜采用漏電流較小的開關場效應管控制傳感器的供電。

4 軟件設計

整個無線通信程序包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個部分[6-7]。發(fā)射過程由軟件寫數(shù)據(jù)到TX/RX幀緩存器，這些數(shù)據(jù)和某些參數(shù)例如目的地地址和容許重測次數(shù)一起被傳送，對協(xié)議定時器進行編程來標明發(fā)送數(shù)據(jù)幀時刻。這個時刻由被跟蹤協(xié)議高層的軟件所決定，一旦信息包被準備好和協(xié)議定時設定好，管控方將控制其傳輸。當信息按照預定時刻到達，管控方控制無線電和調制解調器時序來執(zhí)行需求傳輸類型。它可以按照IEEE 802.15.4標準要求在沒有處理器介入（包括要求重新測試和隨機backoffs）執(zhí)行全部的工作步驟。

當傳輸開始時，數(shù)據(jù)幀標頭是根據(jù)軟件編排的參數(shù)而創(chuàng)立，通過將數(shù)據(jù)串行化到調制解調器發(fā)射出去。同時無線電準備傳輸，在從bitstream到調制解調器的通道中，它經(jīng)過一個CRC（循環(huán)冗余碼校驗）通過在運行時進行校驗計算的校驗產(chǎn)生器，把它加到數(shù)據(jù)幀的末尾。

如利用跟蹤訪問，在傳輸時定位跟蹤有可能超過定時，基本頻帶處理器會自發(fā)地處理這種情況并通過中斷方式來通知協(xié)議軟件，這顯然比當超時時再要求處理更好一點。

接收時，無線電接收裝置在一個特別頻道來接收。一收到來自調制解調器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀被直接轉換成TX/RX幀放在緩沖器內，在那里幀首和數(shù)據(jù)可以被協(xié)議軟件閱讀出來。一收到幀標題可能會產(chǎn)生一個中斷。正如數(shù)據(jù)幀來源于經(jīng)過校驗發(fā)生器的調制解調器，在接收端末端的校驗結果同整個信息末端相比較，來確定最后接收的數(shù)據(jù)是正確的。

接收過程中，Modem要確認接收連接質量，確保接收最后結果可利用的，讓它符合802.15.4標準要求。終端節(jié)點以及網(wǎng)絡協(xié)調器的軟件流程圖如圖6所示。

5 網(wǎng)絡節(jié)點性能測試

測試時讓兩個節(jié)點互發(fā)數(shù)據(jù)，且兩節(jié)點間無任何障礙物，測試節(jié)點接收靈敏度。這里還需要考慮通信時延的問題，時延包括協(xié)議棧時延和空中傳播的時延，空中傳播時延可以忽略不計，因此主要考慮協(xié)議棧時延。協(xié)議棧時延從發(fā)送消息函數(shù)開始到無線目標實際開始物理發(fā)射為止。由于條件有限，無法做出實際的結果。但是一般的情況下，協(xié)議棧發(fā)射時延約為 550μs，接收時延約為 600μs。

6 結論

本文利用Zigbee無線組網(wǎng)技術設計一套油田井口無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，成功地解決了油田井口數(shù)據(jù)采集困難的問題，實現(xiàn)了油田生產(chǎn)管理和油井、管線維護監(jiān)控的信息化、自動化，極大地提高了工作效率，降低網(wǎng)絡組建和運行的成本。

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