油田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式選擇及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)

梁寶娟，巨永鋒

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

在油田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，常常利用放置于油井周邊的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，對油井采油信息進(jìn)行協(xié)作化的信息感知和采集。傳感器節(jié)點(diǎn)以有線或無線方式將現(xiàn)場信息傳輸?shù)阶鳛榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的基站，由基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，以得到準(zhǔn)確的決策信息，并最終驅(qū)動(dòng)特定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)對油田的精確化和智能化測控。將諸多參數(shù)傳送到油田監(jiān)控中心，需要構(gòu)建一個(gè)效率高、響應(yīng)快、費(fèi)用低的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[1]。

文中對油田物聯(lián)網(wǎng)各種數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行了研究，并針對油田實(shí)際需求及現(xiàn)場特點(diǎn)，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理念的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。

圖1 單層設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig．1 Single layer network structure

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有的自動(dòng)化油田數(shù)據(jù)采集傳輸方案中，為一臺油井設(shè)備通過有線或無線方式接載多路傳感器，經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集各路數(shù)據(jù)之后，通過有線或無線的方式傳送至數(shù)據(jù)中心，如圖1所示。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求每臺抽油機(jī)或其他設(shè)備，均通過有線或無線方式與數(shù)據(jù)中心連接。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，傳輸可靠，抗干擾能力強(qiáng)。一個(gè)設(shè)備的損壞或者線路故障時(shí)，不會影響其它油井正常使用，不會造成整個(gè)系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)的安全可靠性比較高。缺點(diǎn)是：單個(gè)油井設(shè)備造價(jià)較高，不經(jīng)濟(jì)。

1.2 兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

另外一種方案是將油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)層次，如圖2所示。每個(gè)工作小區(qū)現(xiàn)場布設(shè)普通節(jié)點(diǎn)和小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)，小區(qū)中心為整個(gè)小區(qū)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心，收集數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)達(dá)命令，其通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和架設(shè)在機(jī)房的服務(wù)器聯(lián)系。小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)功能等同原有單層結(jié)構(gòu)中的中心節(jié)點(diǎn)。雖然增加了普通節(jié)點(diǎn)，但是由于一個(gè)井場的若干口井只需要一個(gè)小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)造價(jià)又非常低廉，所以在傳輸方式選擇合理的情況下，還可以在不影響傳輸質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省建設(shè)及運(yùn)行成本。

2 小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

2.1 傳感器與節(jié)點(diǎn)之間

2.1.1 有線方式

傳感器與節(jié)點(diǎn)之間的有線數(shù)據(jù)傳輸方式，當(dāng)前比較常用的是 HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加幅度為0．5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1．2 Mbps。HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。HART能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求。市面上的有線變送器基本都采用這種通信協(xié)議[2-5]。

2.1.2 無線方式

傳感器與節(jié)點(diǎn)之間若采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，比較常用的是433MHz和Zigbee無線技術(shù)，它們都屬于近距離無線通訊技術(shù)，并且都使用ISM免執(zhí)照頻段，但它們各具特點(diǎn)。

433 MHz技術(shù)使用433 MHz無線頻段，因此相比于Zigbee，433 MHz的顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透性強(qiáng)、能夠傳播得更遠(yuǎn)。但其缺點(diǎn)也是很明顯的，就是其數(shù)據(jù)傳輸速率只有9 600 bps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Zigbee的數(shù)據(jù)速率，因此433 MHz技術(shù)一般只適用于數(shù)據(jù)傳輸量較少的應(yīng)用場合。另外，433MHz技術(shù)只支持星型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過多基站的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋空間的擴(kuò)展，因此將涉及到終端在多基站之間漫游的問題[6]。

自從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念提出以來，許多的芯片公司如TI、Freesacle和Atmel等都以極大的熱情投入其中，大量的低功耗的RF芯片因此得以面世。許多針對此種網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議也紛紛提出，其中Zigbee聯(lián)盟提出的Zigbee協(xié)議是目前影響最深遠(yuǎn)的，也是目前最為成熟的一種協(xié)議。

Zigbee的特點(diǎn)是低功耗、高可靠性、強(qiáng)抗干擾性，布網(wǎng)容易，通過無線中繼器可以非常方便地將網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍擴(kuò)展至數(shù)十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環(huán)境到復(fù)雜空間環(huán)境的場合都可以使用。但Zigbee是定位于低傳輸速率的應(yīng)用，因此Zigbee顯然不適合于高速上網(wǎng)、大文件下載等場合。對于油田傳感器數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，由于其數(shù)據(jù)傳輸量一般來說都不是很大，因此Zigbee技術(shù)是非常適合該應(yīng)用的。

2.2 普通節(jié)點(diǎn)與小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

普通節(jié)點(diǎn)與小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸無線方式與上述無線傳感器方案一樣，Zigbee是比較好的選擇。而有線方式則可在幾種流行的通訊方式如里選擇。

目前廣泛使用的串行通訊接口為RS-232C。但RS-232C在分布式監(jiān)控系統(tǒng)中作為多機(jī)通訊使用有以下幾點(diǎn)不足：1）數(shù)據(jù)傳輸率局限于20 kbit/s，傳輸距離局限于15m。2）不能避免共模信號在通訊中的干擾。

3）只適用于點(diǎn)對點(diǎn)的通訊，無法用最少的信號線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊。

RS-422（全雙工）和RS-485（半雙工）串行接口總線正是為了克服上述缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-422需要兩對平衡差分信號線，而RS-485只需其中一對，對于多機(jī)連接更為便利，因此，選用了RS-485作為聯(lián)網(wǎng)的通訊是最佳選擇方案。

485總線是一種用于設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的、經(jīng)濟(jì)型的、傳統(tǒng)的工業(yè)總線方式。主要特點(diǎn)如下：

1）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

2）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

3）RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4 000英尺，實(shí)際上可達(dá) 3 000m，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò) ，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

3 實(shí)現(xiàn)Internet接入的方法

由圖1可知，除具有與現(xiàn)場設(shè)備通信的能力外，基站還具有通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet的能力。針對傳感節(jié)點(diǎn)的資源現(xiàn)狀和WSN的應(yīng)用領(lǐng)域，雖然國內(nèi)外存在眾多不同的網(wǎng)絡(luò)組織管理方案以及路由算法 ，但基站普遍被作為數(shù)據(jù)中心和控制中心。在確定了網(wǎng)絡(luò)的組織方式和路由算法之后，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作的成功很大程度上依賴于具有豐富的能量、存儲和計(jì)算能力等資源的基站。位于油田的基站往往不具備鋪設(shè)線路，而直接接入Internet網(wǎng)絡(luò)的條件，其他短距離無線通信技術(shù)（如藍(lán)牙、紅外、802．1lb無線上網(wǎng)技術(shù)等）也不適用于接入條件受限的無線傳感網(wǎng)絡(luò) 。目前，中國移動(dòng)和中國聯(lián)通推行的GPRS網(wǎng)絡(luò)已廣泛覆蓋了我國大部分城鄉(xiāng)地區(qū)，數(shù)據(jù)傳輸帶寬可達(dá)40 kbps以上，使得通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸成為可能。GPRS（通用分組無線傳輸業(yè)務(wù)）是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加了2個(gè)服務(wù)節(jié)點(diǎn)，即SGSN（GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)），可提供端到端的廣域無線IP連接。GPR網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、傳輸速率高、實(shí)時(shí)在線、穩(wěn)定可靠和成本低等特點(diǎn)，因此在基站上采用GPRS技術(shù)接入Internet網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)油田數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程測控的一個(gè)靈活可靠和實(shí)用便捷的解決方案。Internet接入方式如圖3所示。

圖3 Internet接入方式Fig．3 Insertion modes of Internet

綜上所述，針對油田實(shí)際需求及現(xiàn)場特點(diǎn)，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其基本結(jié)構(gòu)由2個(gè)層次網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成，如圖2所示，第1層網(wǎng)絡(luò)是：一個(gè)采油井區(qū)范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)本地的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，所有的數(shù)據(jù)匯總至井區(qū)的中心，采用Zigbee通訊；第2層網(wǎng)絡(luò)是：各井區(qū)的中心，通過GPRS或CDMA方式再傳送至整個(gè)油田的數(shù)據(jù)中心。

采用這種無線兩級網(wǎng)絡(luò)方式，將具有以下優(yōu)勢：

1）減少有線布設(shè)，降低線纜及其施工費(fèi)用，也降低了現(xiàn)場設(shè)備安裝的復(fù)雜度，杜絕設(shè)備運(yùn)行時(shí)線纜損壞而帶來設(shè)備故障概率；

2）減少了GPRS或CDMA通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目，將有效降低設(shè)備運(yùn)營產(chǎn)生的通信費(fèi)用；

3）無線自組織尋址。自組織性大大地提高了數(shù)據(jù)的傳輸能力，并且在一個(gè)多口油井的叢式井臺上，只需要安裝一套遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，降低了設(shè)備費(fèi)用和安裝成本。

4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

小區(qū)中心結(jié)構(gòu)如圖4所示，與普通節(jié)點(diǎn)間差別是沒有安裝GPRS（CDMA）模塊，即小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)同時(shí)也具有完備的普通節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)和動(dòng)作控制能力。除此之外，他們的太陽能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。

圖4 小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)功能結(jié)構(gòu)Fig．4 Functional structure of district center node

4.2 RF設(shè)計(jì)

文中小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)采用Zigbee協(xié)議處理器CC2430，CC2430是TI公司最新推出的符合ISM頻段的2．4 G IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 CC2430 工作頻帶范圍：2．400～2．483 5 GHz， 采用 OQPSK 調(diào)制方式，超低電流消耗（RX：19．7mA，TX：17．4mA），高接收靈敏度（-99 dBm）；IEEE802．15．4 MAC 層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、16 bit CRC校驗(yàn)、電源檢測、完全自動(dòng) MAC 層安全保護(hù)（CTR，CBC-MAC，CCM）；CC2430只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。

CC2430為IEEE802．15．4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式 為頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為，同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變?？梢圆捎?6位CRC校驗(yàn)來 提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

5 結(jié) 論

目前，該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在基于ARM9搭建的基站系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換方法順利實(shí)現(xiàn)透明傳輸。在移動(dòng)通信的GPRS平臺上，實(shí)現(xiàn)油田WSN系統(tǒng)與Internet的無縫接入，隨著WSN技術(shù)的不斷成熟，該技術(shù)在油田遠(yuǎn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中將具有良好的應(yīng)用前景。

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