Zigbee技術在油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

張少軒 劉甜 保定職業(yè)技術學院

Zigbee技術在油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

張少軒 劉甜 保定職業(yè)技術學院

新型Zigbee技術具有低功耗、低成本、系統(tǒng)維護簡單的特點，這種無線組網(wǎng)技術能夠快速構建油田遠程智能無線監(jiān)控系統(tǒng)，提高油田生產(chǎn)管理、監(jiān)控工作的有效性。Zigbee應用于油田遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)中的終端主要由信息數(shù)據(jù)采集部分、電路輸出部分和電腦微控制器組成。對監(jiān)控系統(tǒng)設備的功耗情況進行抽查與歸納分析發(fā)現(xiàn)，設備中一節(jié)AAA堿性電池電量為1000mA，在全工作狀態(tài)下可以連續(xù)工作40h；如果是在節(jié)能精簡狀態(tài)下，則能夠工作200h以上；在全待機狀態(tài)下能夠工作2777h以上。

Zigbee；信息；油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)；能耗；應用

1 Zigbee技術特點

隨著工業(yè)自動化不斷發(fā)展，各個領域對于通信傳輸需求不斷提高，尤其是對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笈c日俱增，因此誕生出了一種新型短距離、低速率的無線網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，即Zigbee。這種新型技術介于無線標記技術和藍牙技術之間，依靠近距離的無線網(wǎng)絡連接實現(xiàn)，設計基礎為IEEE802.15.4。

在整個Zigbee網(wǎng)絡信息傳輸范圍內，能夠使無線傳輸模塊實現(xiàn)各個網(wǎng)絡節(jié)點之間的傳輸工作，讓每個網(wǎng)絡節(jié)點之間的距離拓展到從最開始的75m至之后的幾百米，甚至幾公里之外，加強了網(wǎng)絡傳輸距離，克服了傳統(tǒng)通信技術傳輸距離較短的弊端。

Zigbee網(wǎng)絡另外一個明顯優(yōu)勢就是可以與現(xiàn)存的多個網(wǎng)絡實現(xiàn)交互傳播，在信號覆蓋范圍內，每個Zigbee的全功能設備網(wǎng)絡節(jié)點可與多個簡化功能設備子節(jié)點進行無線連接，不會因承擔網(wǎng)絡信息中轉任務而被孤立。根據(jù)不同功能Zigbee技術的網(wǎng)絡節(jié)點可以分為全功能設備節(jié)點和簡化功能設備節(jié)點兩類。

2 油田遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)終端設備設計。Zigbee應用于油田遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)中的終端主要由信息數(shù)據(jù)采集部分、電路輸出部分和電腦微控制器組成。系統(tǒng)終端設備是為了實現(xiàn)油田采集地段的溫度信息搜集與輸送功能，它會依據(jù)控制器中普遍的運行規(guī)律或者是機器設備中常用的操控命令來達到對這些設備的預加熱目的。整個系統(tǒng)是依靠鋰電池來實現(xiàn)內部的供電過程，并且只有當設備進入信息搜集、傳輸與控制功能狀態(tài)時，才會轉變?yōu)楣ぷ鬟\行狀態(tài)；在其他時間內，系統(tǒng)會長期處于低耗能狀態(tài)，進而節(jié)省了電能。

（2）系統(tǒng)設計。該控制系統(tǒng)主要用于檢測場內各種設施的工作狀態(tài)，對采出油品的數(shù)據(jù)進行科學分析。通過對這些設施的工作狀態(tài)以及整個采油溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)進行分析，及時給調度反饋生產(chǎn)第一線的信息。運用無線傳感器網(wǎng)絡（由Zigbee技術組成）可以減少停機時間，提高工作效率以及經(jīng)濟效益，實現(xiàn)油田生產(chǎn)管理和維護監(jiān)控的信息規(guī)范化，最終使石油產(chǎn)量增加。

（3）智能監(jiān)控傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)的功能?；赯igbee的油田遠程測控系統(tǒng)為集散式控制結構，通過調整電潛螺桿泵井電流，油井表面溫度、壓力值，內部溫度等多個參數(shù)，實現(xiàn)Zigbee移動通訊信道的傳輸功能。為了能夠準確掌握管理轄區(qū)內各種油井的狀況，可以應用Zigbee系統(tǒng)來處理發(fā)現(xiàn)的隱患，再借助遠程遙控停止設備運行。Zigbee網(wǎng)絡與移動網(wǎng)絡GPRS相連，可以將采集存儲數(shù)據(jù)和信息傳至油田數(shù)據(jù)管理中心，并解決原有采集點處在盲區(qū)的問題。因為Zigbee網(wǎng)絡中的全功能設備處可以覆蓋到其他區(qū)域，即便采集點數(shù)據(jù)處在盲區(qū)，依舊能夠依靠Zigbee技術進行無線網(wǎng)絡傳輸。這種方法不僅有助于節(jié)約企業(yè)成本，并且能夠擴寬現(xiàn)代無線網(wǎng)絡覆蓋范圍，促進油田遠程監(jiān)控網(wǎng)絡的發(fā)展。

（4）網(wǎng)絡通信協(xié)議幀結構。Zigbee協(xié)議幀結構中的目的地址包含了監(jiān)控網(wǎng)絡數(shù)據(jù)節(jié)點，數(shù)據(jù)信息代表了系統(tǒng)中的有效數(shù)據(jù)與傳輸命令，由所發(fā)送的數(shù)據(jù)長度決定所占用的字節(jié)。由于油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)的通信幀結構是建立在IEEE802.15.4基礎上，因此設計任務時主要對其中的數(shù)據(jù)信息字段部分進行設計就可以了。

（5）系統(tǒng)信息處理部分。假如在監(jiān)控系統(tǒng)設備的電路檢測中發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控主體產(chǎn)生變化，那么在系統(tǒng)終端的Zigbee傳輸信息模塊也會相應地對相關信息數(shù)據(jù)采取處理措施，迅速構建連接，并且將所獲得信息反饋回網(wǎng)絡基站。這種無線監(jiān)控傳感器設備運轉過程中有90%以上時間處于低耗能狀態(tài)，并在傳輸過程保持十幾微安的電流耗能，延長了系統(tǒng)設備的電池使用壽命，實現(xiàn)了降低成本的目標。

3 實驗分析

（1）監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)通信距離測試。在系統(tǒng)測試過程中，設置兩個監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點，一個是終端采集信息傳感器節(jié)點，另一個是接受數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點。將信息反饋到主控制機器設備上，在保證室內沒有障礙物的情況下，通信系統(tǒng)的有效通信距離達到100m；如果室內通信有墻阻隔時，通信距離在60m內能保持穩(wěn)定性；在有過多障礙物或距離大于100m，通信的質量變差。采取在兩個通信設備節(jié)點之間架構一個路由節(jié)點的做法，可以較好地提高監(jiān)控質量。

（2）系統(tǒng)功耗測試。對監(jiān)控系統(tǒng)設備的功耗情況進行抽查與歸納分析發(fā)現(xiàn)，設備中一節(jié)AAA堿性電池電量為1000mA，其在全工作狀態(tài)下可以連續(xù)工作40h；如果是在節(jié)能精簡狀態(tài)下，則能夠工作200h以上；在全待機狀態(tài)下能夠工作2777h以上。這充分說明選擇Zigbee節(jié)點可以節(jié)省成本、降低能耗，因此值得在油田監(jiān)控系統(tǒng)中應用。

4 結語

新型Zigbee技術具有低功耗、低成本、系統(tǒng)維護簡單的特點，這種無線組網(wǎng)技術能夠快速構建油田遠程智能無線監(jiān)控系統(tǒng)，提高油田生產(chǎn)管理、監(jiān)控工作有效性，可解決信基站系統(tǒng)帶來的建設費用昂貴、存在盲區(qū)的問題，在油田企業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.030

基金論文：2012年浙江省科技廳高技能人才培養(yǎng)和技術創(chuàng)新活動計劃項目（2012R30028）。