基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

仝 迪 牟建云 甯 鴻 余海濤 張 平

（西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500）

0 前言

國內(nèi)外許多油田都需要對井場生產(chǎn)進行相應的設備管理和安全維護，比如輸油管路的防凍、有毒有害易燃氣體的泄漏等，因此對井場的各種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測顯得尤為重要[1]。而傳統(tǒng)的油田井場環(huán)境監(jiān)測基于有線通訊系統(tǒng)，存在諸多不足。因此需要選擇新型的數(shù)據(jù)傳輸通訊方式即無線傳感器網(wǎng)絡[2]。

國外較早就著手無線傳感器網(wǎng)絡研究，美國軍方遠景研究計劃局推出了WEBS、SCADDS等一系列項目[3]，康奈爾大學研究了無線傳感器網(wǎng)絡基礎理論和關機技術，麻省理工學院開始研究用于超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡的方法和技術[3]。

國內(nèi)也已經(jīng)進行了許多無線傳感器網(wǎng)絡方面的研究，其中浙江大學正在進行無線傳感器網(wǎng)絡硬件實現(xiàn)方面的研究工作；此外諸如中科院計算機所、自動化所等也在進行無線傳感器網(wǎng)絡技術的研究[4]。雖然國內(nèi)在進行這方面的研究，但仍處于起步階段。

目前，環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡研究和應用的重要領域。本文針對新疆地區(qū)油田井場環(huán)境復雜、監(jiān)控難、安全事故易發(fā)等缺點，為適應數(shù)字化油田發(fā)展方向，設計一套基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對油田井場環(huán)境溫度、濕度、有毒有害易燃氣體的泄漏等信息的實時精確測量，及時獲取不利于井場生產(chǎn)安全的環(huán)境因數(shù)并給生產(chǎn)管理人員提供準確的數(shù)據(jù),為油田的安全生產(chǎn)、提供了重要的技術支持和保障。

1 井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由上位機軟件系統(tǒng)和下位機Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡組成。而下位機ZigBee無線傳傳感器網(wǎng)絡又由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點以及大量的傳感器節(jié)點組成。傳感器節(jié)點以及路由器節(jié)點設計有溫濕度傳感器、天然氣傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器等用于采集井場各個井的環(huán)境參數(shù)信息；協(xié)調(diào)器節(jié)點負責建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，同時兼顧發(fā)送和接收相關指令[5-6]；上位機系統(tǒng)通過將協(xié)調(diào)器傳輸過來的井場環(huán)境數(shù)據(jù)信息存儲、分析和顯示。

系統(tǒng)工作原理：下位機傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實時采集分布于井場內(nèi)的各個井口的溫濕度、有害氣體泄漏、光照等重要的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。當協(xié)調(diào)器節(jié)點上電建立無線網(wǎng)絡后，通過ZigBee無線方式與傳感器節(jié)點連接，傳感器節(jié)點自動實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點對話并做出匹配并加入ZigBee無線網(wǎng)絡[6]。此時，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)就可通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳遞至協(xié)調(diào)器進一步將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C軟件系統(tǒng)，上位機軟件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析和顯示，實現(xiàn)對井場的環(huán)境參數(shù)進行有效監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點設計

圖2 傳感器節(jié)點系統(tǒng)框圖

在井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，無線傳感器節(jié)點系統(tǒng)如圖2所示。傳感器節(jié)點硬件由數(shù)據(jù)采集模塊，處理器、存儲器模塊，無線通信模塊以及電源模塊實現(xiàn)。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計

在本系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)采集模塊包含多種類型的傳感器。溫、濕度傳感器主要用于采集井口的溫度和濕度，設計中考慮新疆油田地區(qū)，晝夜溫差大，選擇具有標準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11，該傳感器具有單線制串行接口[7]，直接讀取溫濕度數(shù)據(jù)，抗干擾能力強。

天然氣傳感器主要用于檢測井口采油樹中套管氣（主要成分為天然氣），這里選擇MQ-2型氣體傳感器。光照傳感器選擇兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器BH1750FVI；硫化氫傳感器主要用于檢測井口硫化氫氣體泄漏量，選擇MQ135型氣體傳感器。煙霧傳感器選擇MQ-4型氣體傳感器。

2.1.2 無線通信模塊硬件設計

無線通信模塊選擇CC2530集成芯片模塊，它集成高性能的RF收發(fā)器和一個增強型的8051微處理器，擁有較大的閃存空間最大可達256K[8]，同時該模塊支持IEEE802.15.4/Zigbee/ZigbeeRF4CE標準，無線通信采用芯片所集成的2.4GHz IEEE802.15.4標準射頻發(fā)射器，該發(fā)射器具有較為優(yōu)秀的接收靈敏度和抗干擾能力。

2.1.3 太陽能電源管理設計

傳感器節(jié)點的各部分器件需要不同電源供電，為充分利用新疆地區(qū)光照條件，設計通過太陽能轉(zhuǎn)化為電能對系統(tǒng)供電，系統(tǒng)采用4.2V5000mAh大容量鋰電池收集并存儲從太陽能電池板收集到的能量，可在無光照的條件下向系統(tǒng)持續(xù)供電，以保證系統(tǒng)不間斷運行[5]。同時設計對應的電源管理模塊，包括DC-DC升降壓模塊、升壓模塊、充放電保護模塊等。

DC-DC升降壓模塊設計如圖3所示，該模塊由升降壓芯片XL6009及其周圍元件組成，其作用是將太陽能電池板輸入的+6V直流電降為鋰電池的充電電壓4.2V，通過充電管理模塊實現(xiàn)對鋰電池的安全充電。升壓模塊電路由高效率、直流升壓穩(wěn)壓器件B6284X及周圍元器件組成，該電路的作用是將3.3V低壓轉(zhuǎn)換成。

圖3 DC-DC升降壓模塊電路圖

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責調(diào)度各傳感器節(jié)點工作,其運行直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。協(xié)調(diào)器節(jié)點采用CC2530芯片，為使協(xié)調(diào)器能夠?qū)崿F(xiàn)CC2530芯片與上位機軟件系統(tǒng)通信，本設計通訊接口采用標準的RS232,將采集到的數(shù)據(jù)通過串口上傳給計算機,電路原理如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器電路圖

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)軟件流程

為滿足系統(tǒng)低功耗要求，軟件設計中采用了休眠、喚醒的工作方式，即在上位機軟件系統(tǒng)未發(fā)送數(shù)據(jù)查詢命令時，傳感器節(jié)點處于休眠狀態(tài)，當接收到命令進入喚醒工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送等。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 上位機軟件系統(tǒng)設計

監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等組成。軟件運行需要對串口進行初始化設置，接著上位機就可以通過串口向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令[6]，當傳感器節(jié)點接收到指令進入喚醒狀態(tài)后加入ZigBee網(wǎng)絡，傳感器開始進行井場環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，最終數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點傳遞到協(xié)調(diào)器節(jié)點進而傳遞到上位機軟件系統(tǒng)進行存儲、分析和顯示。軟件系統(tǒng)如下圖6所示。

圖6 上位機軟件顯示界面圖

4 井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

設計的井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由上位機軟件系統(tǒng)和下位機傳感器網(wǎng)絡組成。最終系統(tǒng)實現(xiàn)在實驗條件下完成相應的環(huán)境參數(shù)采集顯示等功能，系統(tǒng)實驗結(jié)果說明設計的該套系統(tǒng)網(wǎng)絡組建靈活方便，數(shù)據(jù)采集、傳輸快捷，容量大，具有較強的穩(wěn)定性、可靠性，滿足井場環(huán)境的監(jiān)測相關指標。系統(tǒng)整體實物如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)整體實物圖

5 結(jié)論

設計的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡井場環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，從技術層面上有效解決了油田井場環(huán)境復雜、監(jiān)控難、安全事故易發(fā)等缺點。結(jié)合新疆地區(qū)光照強的特點，系統(tǒng)設計采用太陽能供電技術，解決了系統(tǒng)組網(wǎng)供電等困難，同時設計休眠、喚醒工作模式，減低系統(tǒng)功耗，保證系統(tǒng)能夠晝夜不間斷工作。最后實驗測試驗證系統(tǒng)設計合理可靠，組網(wǎng)簡單，數(shù)據(jù)采集傳輸方便快捷，能有效改善現(xiàn)有的井場環(huán)境監(jiān)測模式，并降低生產(chǎn)管理成本。

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