基于ZigBee技術(shù)的井口數(shù)據(jù)傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 洋

（北京航天時(shí)空科技有限公司，北京100074）

1 ZigBee通訊技術(shù)

ZigBee是工作在2．4GHz頻段的無(wú)線通信技術(shù)，其底層基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，特點(diǎn)是雙向無(wú)線通信、低速率、低復(fù)雜度、低功耗，特別適用于工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

ZigBee有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑盒切尉W(wǎng)絡(luò)、簇形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)。此外，ZigBee還有另2種更為簡(jiǎn)單的通訊方式：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊。無(wú)線油井傳感器和油井監(jiān)控RTU（遠(yuǎn)程測(cè)控單元）相當(dāng)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊模式，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上ZigBee技術(shù)符合本文應(yīng)用的需求。

2 系統(tǒng)總體方案

無(wú)線壓力傳感器、無(wú)線溫度傳感器、油井監(jiān)控RTU組成一個(gè)單井無(wú)線監(jiān)測(cè)子網(wǎng)。無(wú)線傳感器定時(shí)采集單井壓力、溫度參數(shù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給油井監(jiān)控RTU。油井監(jiān)控RTU保存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，直到上一級(jí)無(wú)線網(wǎng)關(guān)查詢數(shù)據(jù)，將所要數(shù)據(jù)讀取為止。多個(gè)油井監(jiān)控RTU（每個(gè)分配不同的地址）對(duì)應(yīng)一個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)，組成多井無(wú)線監(jiān)測(cè)母網(wǎng)。

數(shù)據(jù)匯集到無(wú)線網(wǎng)關(guān)后，通過(guò)以太網(wǎng)口傳送到油田信息中心服務(wù)器。多個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)子網(wǎng)、母網(wǎng)相互組合，便實(shí)現(xiàn)了整個(gè)油田的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。通過(guò)油田信息中心服務(wù)器的監(jiān)控軟件，工作人員可及時(shí)掌握每一口油井的工況。

3 傳感器硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)無(wú)線壓力傳感器和無(wú)線溫度傳感器，分別安裝在油井井口位置，用于定時(shí)采集井口壓力、溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到油井監(jiān)控RTU中。

2種無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)需滿足以下要求：低功耗（電池供電）、高精度（±0．5%FS、±0．2℃）、防護(hù)性（IP67）、防爆性（本安加隔爆）、通訊形式（ZigBee）。無(wú)線傳感器硬件由6個(gè)模塊組成：MCU模塊、電源管理模塊、傳感探頭模塊、放大電路模塊、無(wú)線通信模塊、電池供電模塊。

3.1 MCU模塊

MCU模塊是傳感器核心，編程控制各模塊，完成電源控制、無(wú)線模塊控制、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)、存儲(chǔ)標(biāo)定數(shù)據(jù)等任務(wù)。

MCU模塊選用Silicon Labs公司的C8051F410，該芯片是一款集成多外設(shè)的低功耗單片機(jī)，性能滿足設(shè)計(jì)要求，其具有4種工作模式：正常、空閑、掛起和停機(jī)，真12位200kb／s的24通道ADC，低功耗（掛起和停機(jī)模式耗電僅150nA）。

3.2 電源管理模塊

電源管理模塊負(fù)責(zé)輸出各模塊幾種不同工作電壓，如MCU和無(wú)線通信模塊工作在＋3．3V，放大電路模塊工作在＋3．0V，A／D變換基準(zhǔn)為＋2．5V。電源管理模塊由 MCU管腳控制，傳感器休眠時(shí)關(guān)斷部分模塊電源，降低平均功耗。

選用TI公司的TPS76933芯片輸出＋3．3V電壓，供MCU模塊、無(wú)線通信模塊等數(shù)字電路使用。選用TPS76930芯片輸出＋3．0V電壓，供壓力敏感元件、溫度敏感元件和放大電路模塊使用。選用TPS76925芯片輸出＋2．5V電壓，供A／D變換基準(zhǔn)使用。

TPS769××系列低壓降（LDO）電壓穩(wěn)壓器具有壓降低、功耗超低和封裝小等優(yōu)點(diǎn)，與通常穩(wěn)壓器相比具有較低的跌落電壓和超低的靜態(tài)電流（最大輸出100mA時(shí)僅消耗17μA靜態(tài)電流）。該系列芯片具有輸出關(guān)斷功能（由引腳控制），在關(guān)斷模式下僅消耗1μA靜態(tài)電流。

3.3 傳感探頭模塊

（1）壓力敏感元件。考慮油井工況的壓力測(cè)量范圍（0～1．6MPa）、耐壓程度（承受1．5倍額定工作壓力）、測(cè)量精度（小于±0．5%FS）、環(huán)境溫度影響、介質(zhì)相容性、沖擊振動(dòng)較大等因素，選用西安麥克公司MPM281型工業(yè)級(jí)壓阻式壓力敏感元件，其具有高精度（±0．15%FS）、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)定性高（±0．2%FS／年）、耐腐蝕（不銹鋼316L）等特點(diǎn)。

（2）溫度敏感元件。鉑電阻（Pt1000）是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)溫元件。溫度變化時(shí)，其電阻值基本呈線性變化，接入放大電路便可把熱力學(xué)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。選用日本林電工的CRZ－2005－1000型Pt1000薄膜鉑電阻。這種鉑熱電阻用真空沉積的薄膜技術(shù)把金屬鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以內(nèi)，用玻璃燒結(jié)料固定Ni（或Pd）引線，經(jīng)激光調(diào)阻制成薄膜元件。在測(cè)量溫度范圍內(nèi)，其輸出電阻值與溫度成一定的比例關(guān)系，例如，在0℃時(shí)阻值是1 000．00Ω，在100℃時(shí)阻值約1 385．00Ω。

3.4 放大電路模塊

該模塊采用差分放大電路，壓力敏感元件4根引線定義依次為＋3V、S＋、S－、GND。其中，＋3V和GND為壓力敏感元件供電，S＋和S－是敏感元件的信號(hào)線，兩線間mV級(jí)的電壓差信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大電路放大，調(diào)整為0～＋2．5V（基準(zhǔn)電壓）的電壓信號(hào)，之后進(jìn)行A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換。測(cè)溫電路與測(cè)壓電路相類似。

3.5 無(wú)線通信模塊

選用CEL公司的ZICM2410（2．4GHz）無(wú)線模塊，其技術(shù)參數(shù)為：工作頻率2．405～2．480GHz；3 000英尺無(wú)障礙傳輸距離；接收靈敏度－97dBm；發(fā)送功率＋6dBm；工作電壓2．1～3．3V；發(fā)送數(shù)據(jù)電流44mA；接收數(shù)據(jù)電流35mA；休眠電流＜1μA；無(wú)線通訊速率250kb／s、500kb／s、1Mb／s。

應(yīng)用上無(wú)線模塊串口與MCU模塊串口相連即可實(shí)現(xiàn)控制。MCU的P0．4口（TXD）接無(wú)線模塊的P1．0口（RXD），MCU的P0．5口（RXD）接無(wú)線模塊的P1．1口（TXD）。無(wú)線模塊固件版本升級(jí)到V1．15后增加了硬件休眠功能。外部拉低模塊P3．0引腳至少100μs后，模塊將在1ms內(nèi)進(jìn)入休眠模式。相比之前發(fā)送AT命令（控制模塊命令進(jìn)入休眠至少需要10ms），進(jìn)入休眠時(shí)間更短，更加省電。需要喚醒模塊時(shí)，MCU連接的I／O管腳拉低無(wú)線模塊P3．2引腳即可。

3.6 電池供電模塊

電池供電模塊為無(wú)線傳感器各模塊提供電能，為確保在室外長(zhǎng)期應(yīng)用，同時(shí)在無(wú)線傳感器進(jìn)行防爆認(rèn)證時(shí)能夠通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，選用工業(yè)級(jí)鋰／亞硫酰氯電池。其具有如下特點(diǎn)：使用溫度范圍廣（－55～＋85℃）；自放電率低（存放一年低于1%）；長(zhǎng)時(shí)間微電流工作（工作年限達(dá)8～10年）；在強(qiáng)制放電極端情況下不會(huì)解體或燃燒。

4 傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器主程序包含兩部分，一是工作狀態(tài)程序，二是標(biāo)定狀態(tài)（參數(shù)設(shè)置）程序。傳感器上電后，單片機(jī)進(jìn)入初始化程序，包括端口初始化、時(shí)鐘初始化、中斷初始化、串口初始化等。程序會(huì)判斷進(jìn)入工作狀態(tài)還是標(biāo)定狀態(tài)，依據(jù)是外部中斷置位。實(shí)現(xiàn)方法是利用磁棒與電路板上干簧管相靠近，使之導(dǎo)通接地，連到干簧管的單片機(jī)外部中斷管腳拉低，外部中斷置位，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序（標(biāo)定狀態(tài)）。

工作狀態(tài)程序流程：MCU多次采集壓力或溫度變換后的A／D值，對(duì)采樣值取平均數(shù)，通過(guò)公式求出壓力或溫度值。按通訊協(xié)議向油井監(jiān)控RTU發(fā)送數(shù)據(jù)幀，如果傳送成功，傳感器收到RTU應(yīng)答幀后立即進(jìn)入休眠模式；如果傳送失敗，傳感器再次發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，等待RTU應(yīng)答；如果數(shù)據(jù)幀3次傳送均失敗，傳感器進(jìn)入休眠模式。

標(biāo)定狀態(tài)程序流程：MCU采集壓力或溫度最小A／D值，對(duì)于壓力傳感器，最小A／D值是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。之后傳感器采集最大A／D值，即所測(cè)量程的最大值，如測(cè)量范圍為0～1．6MPa，最大A／D值是1．6MPa時(shí)的測(cè)量值。之后程序計(jì)算系數(shù)，并保存到MCU內(nèi)部的FLASH中。例如：系數(shù)A為0．000 484 408 1，保 存 為 BCD 碼 04，84，40，81；系 數(shù) B 為0．001 574 33，保存為BCD碼00，15，74，33。之后設(shè)置傳感器工作參數(shù)，包括休眠周期、發(fā)射間隔、報(bào)警上下限、儀表地址。

5 結(jié)語(yǔ)

油井自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，大大降低了油田人工成本，提高了企業(yè)生產(chǎn)管理水平。

［1］張琪．ZigBee的幾項(xiàng)應(yīng)用［J］．射頻世界，2008（3）

［2］張高群．電廠應(yīng)用ZigBee技術(shù)的前期研究［D］．重慶大學(xué)，2008

［3］許輝．基于ZigBee的抽油機(jī)示功圖采集［D］．東北石油大學(xué)，2013

［4］俞張輝．基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)研究［D］．上海師范大學(xué)，2012

［5］沈建明．基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［D］．西安工業(yè)大學(xué)，2013