油田井場工況監(jiān)測中的ZigBee數(shù)據(jù)通信技術(shù)應(yīng)用＊

任燕，劉嬌月

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009）

油田井場工況監(jiān)測中的ZigBee數(shù)據(jù)通信技術(shù)應(yīng)用＊

任燕，劉嬌月

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009）

摘要：設(shè)計了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的油田井場數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)，進行了傳感器接口、電源電路及無線通信等模塊的硬件設(shè)計與選型，開發(fā)了系統(tǒng)軟件。構(gòu)建了現(xiàn)場局域網(wǎng)及廣域網(wǎng)兩級網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用證明井場數(shù)據(jù)采集和傳輸簡便、可靠、高效，設(shè)備功耗降低，實現(xiàn)了井場工況監(jiān)測系統(tǒng)低成本運行。關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；井場工況檢測；數(shù)據(jù)通信

1　引言

目前國內(nèi)大多數(shù)油田井場工況主要監(jiān)測手段仍然是人工定期巡檢的方法，在生產(chǎn)作業(yè)過程中人為因素使得測量數(shù)據(jù)誤差明顯、操作流程繁瑣。在已經(jīng)采取數(shù)字化井場管理的油田中，主要采用GPRS技術(shù)用于數(shù)據(jù)的遠程傳輸，由于GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可擴充性、可移植性等方面具有較大局限，設(shè)備投入和使用費用較高，不利于油田井場管理的數(shù)字化升級和推廣應(yīng)用。個別井場使用微波與數(shù)傳電臺的方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接口技術(shù)復(fù)雜，可靠性不高，整體使用效果不理想，使得現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集與通信手段在技術(shù)和經(jīng)濟上都不符合未來智慧油田的發(fā)展大趨勢。

ZigBee是一種低速率、近距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能耗低、通信效率高。符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。在環(huán)境監(jiān)測、智能家居、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的區(qū)域參數(shù)采集方面，應(yīng)用日益廣泛。針對油田井場自動化平臺，本文采用ZigBee技術(shù)方案，設(shè)計了油田井場工況監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實現(xiàn)了井場內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線實時傳輸，促進了油田信息化、數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)發(fā)展［1］。

2　監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由三部分組成：現(xiàn)場傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)中心節(jié)點和上位機遠程監(jiān)控中心節(jié)點。其中現(xiàn)場傳感器節(jié)點是采集井場工況參數(shù)數(shù)據(jù)的核心設(shè)備，采用ZigBee技術(shù)，由ZigBee組成網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集。終端設(shè)備可以通過軟件協(xié)調(diào)分時連接至多個路由設(shè)備從而與整個網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器節(jié)點具有本地數(shù)據(jù)采集傳輸和路由功能，其目的是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、融合和轉(zhuǎn)發(fā)，對采集到的數(shù)據(jù)和接收到的其他傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行綜合，再轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)的中心是協(xié)調(diào)器節(jié)點，它具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、網(wǎng)關(guān)功能，主要負(fù)責(zé)建立一個網(wǎng)絡(luò)并允許傳感器節(jié)點的加入，連接外部的通信設(shè)備，協(xié)調(diào)器節(jié)點通常連接到PC機或者使用其他方式（如Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星等）與外界通信。

系統(tǒng)可應(yīng)用于井場內(nèi)距離在ZigBee傳輸范圍內(nèi)的多個機井，通過改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點，使單井?dāng)?shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)發(fā)即可。整個系統(tǒng)構(gòu)建模式層面清晰，易于維護管理，減少了線路布設(shè)，降低了線纜鋪設(shè)費用，也降低了現(xiàn)場安裝工序的復(fù)雜程度，避免了工作狀態(tài)下線纜損壞而帶來的設(shè)備故障。GPRS通信終端數(shù)目的減少有效降低了設(shè)備運營產(chǎn)生的通信費用。自組織性能大大提高了數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)可移植性及可擴充性增強［2］。

圖2　數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖1　油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1現(xiàn)場傳感器節(jié)點設(shè)計

在系統(tǒng)終端采集節(jié)點功能簡單、結(jié)構(gòu)精簡，采用蓄電池供電，應(yīng)用CC2430內(nèi)部定時時鐘產(chǎn)生中斷對其予以喚醒，多數(shù)時間終端節(jié)點處于睡眠模式，這種工作模式能夠最大程度節(jié)約電能。終端節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

圖3　終端節(jié)點硬件框圖

該器件對電源敏感性要求相對不高，故電源模塊選用蓄電池為節(jié)點供電，以達到方便、便攜的目的。系統(tǒng)主要有兩個電源電路，一路5V電源為傳感器供電，一路3．3V電源為無線模塊供電。5V電源模塊選用一款1．25A的大電流、高精度、低壓差的LM2940芯片，工作時靜態(tài)電流低至240μA。

3．2節(jié)點傳感器模塊

現(xiàn)場傳感器節(jié)點被安裝在被監(jiān)控對象上，采集抽油機井的載荷、位移等參量，為實現(xiàn)載荷、位移及電參數(shù)的實時采集，并與控制器及上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊和實時傳輸。節(jié)點傳感器模塊主要包括：主電機參數(shù)檢測；減速器參數(shù)檢測與故障判斷；游梁位移傳感器檢測；曲柄角速度檢測；抽油機載荷檢測。

3．3網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能包括建立網(wǎng)絡(luò)、無線收發(fā)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)設(shè)計匯總網(wǎng)關(guān)包含ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，即網(wǎng)絡(luò)的建立者，主要負(fù)責(zé)ZigBee和GPRS的雙向數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換協(xié)議，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點原理結(jié)構(gòu)圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）一直保持工作狀態(tài)，偵聽監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行各協(xié)議層的任務(wù)，隨時處理采集終端節(jié)點關(guān)聯(lián)、解關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)幀發(fā)送、接收請求等。各終端采集節(jié)點通過協(xié)調(diào)器與GPRS網(wǎng)絡(luò)校對時，使得網(wǎng)絡(luò)時間同步。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機監(jiān)控室。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器與GPRS模塊之間通過串口連接，協(xié)調(diào)器將從終端子節(jié)點傳感器采集的數(shù)據(jù)匯聚后再傳至GPRS模塊內(nèi)，通過內(nèi)部的TCP／IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包封裝后發(fā)送至SGSN進而與GGSN溝通后，井場SGSN將數(shù)據(jù)包傳送到上位機監(jiān)控中心。網(wǎng)關(guān)經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)周期性采集抽油機井工況數(shù)據(jù)，再通過GPRS模塊實時地傳送至監(jiān)測室中，監(jiān)測中心接收到現(xiàn)場上傳來的數(shù)據(jù)后，通過內(nèi)部網(wǎng)Intranet與管理終端實現(xiàn)共享。

3．4遠程監(jiān)測中心

遠程監(jiān)測中心是一個服務(wù)器，服務(wù)器上運行著上位機軟件，當(dāng)遠程監(jiān)測中心接受到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)后，該軟件可圖形化顯示遠程油田上的數(shù)據(jù)。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee節(jié)點的軟件設(shè)計開發(fā)是在IAR、Packet Sniffer、SmartRF04、Flash Programmer等軟件開發(fā)環(huán)境的聯(lián)合使用過程中進行的，主要是完成節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的建立與維護、各工礦數(shù)據(jù)的采集處理、采集數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)裙δ堋鞲衅魍ㄟ^ZigBee把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。每一個單獨節(jié)點上裝載有載荷傳感器和角位移傳感器，傳感器節(jié)點采用命令工作的方式對數(shù)據(jù)進行采集［3］。

4．1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

采集時刻到來時，傳感器節(jié)點首先要打開傳感器開關(guān)，待傳感器工作穩(wěn)定以后，系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)采集流程圖采集得到的模擬電壓值將會被送入到AD口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本系統(tǒng)使用的是CC2530內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器，此AD轉(zhuǎn)換器支持14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有多達12位的ENOB，包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，8個各自可配置的通道，可接受單端或者差分信號，以及擁有一個參考電壓發(fā)生器。

ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD轉(zhuǎn)換控制寄存器2）、ADCCON3（單通道AD轉(zhuǎn)換控制器2）、ADCL（ADC數(shù)據(jù)低位）、ADCH（ADC數(shù)據(jù)高位）。

4．2數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

傳感器節(jié)點直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信，該過程中傳感器節(jié)點一直處于休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)完成后，開始發(fā)送廣播幀通知覆蓋所有傳感器節(jié)點，組建網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器接收到傳感器的入網(wǎng)命令后，要將此傳感器節(jié)點的IEEE地址保存下來，并立即向傳感器節(jié)點發(fā)送響應(yīng)幀，允許此傳感器節(jié)點

圖5　網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程圖

加入該網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點將一直進行組網(wǎng)操作，直至整個超幀完結(jié)［1，3］。

4．3網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程

網(wǎng)關(guān)節(jié)點中ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主控器將采集的工況數(shù)據(jù)通過RS－232串口傳送GPRS模塊，GPRS模塊內(nèi)置TCP／IP協(xié)議會將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至SGSN，進而與GGSN通信溝通后對數(shù)據(jù)進行處理后，經(jīng)SGSN發(fā)送至監(jiān)測中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程圖如圖5所示。

5　結(jié)論

在單井區(qū)范圍局域內(nèi)內(nèi)引入ZigBee技術(shù)，由終端節(jié)點傳感器采集監(jiān)測抽油機工作情況的各個參量，進行數(shù)據(jù)采集傳輸，廣域上采用GPRS的兩層傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)包經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一遠程傳輸至Internet，很大程度上能提高數(shù)據(jù)的集中化管理和互通。該設(shè)計融合了兩種無線傳輸手段的優(yōu)勢，搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有傳輸可靠性高、抗干擾性能強、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單明了等優(yōu)點，可以自動管理、組網(wǎng)靈活、具有較強的可擴展性，經(jīng)濟性能高，在油田井場抽油機工況實時監(jiān)控方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

［1］曲鵬．基于ZigBee游梁式抽油機工況監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究［D］．大慶：東北石油大學(xué)，2013．

［2］何建中．抽油機在線監(jiān)測及自動控制技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．石油機械，2012，40（2）：51－53．

［3］陳兆安，任曉峰，譚濱等．油田井場數(shù)字化集成監(jiān)控裝置的研制［J］．油氣田地面工程，2013，（11）．

中圖分類號：TE933

文獻標(biāo)識碼：A

基金項目：＊河南省科技攻關(guān)計劃項目（142142214251）

文章編號：1005—7277（2015）03—0042—03

收稿日期：2014－11－20

Application of ZigBee data communication technology in the working condition monitoring of oilfield well site

REN Yan，LIU Jiao－yue
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

Abstract：The data acquisition and communication system of oilfield well site based on ZigBee wireless sensor network technology is designed．The module hardware design and type selection of sensor interface，power supply circuit and wireless communication are carried out，and the system software is also developed．The two－level network communication structure of LAN and WAN is built．The actual application proves that the data acquisition and transmission on well site is simple，reliable and efficient，as well as the power consumption of equipment is greatly reduced．The low cost operation of condition monitoring system in well site can be realized．

Key words：wireless sensor network；well site working condition testing；data communication