油田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

摘要：通過對油田物聯(lián)網(wǎng)中各個節(jié)點的分析，將油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡分為 2 級網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場層次由能自組網(wǎng)、自恢復的 zigbee 樹形網(wǎng)絡實現(xiàn)。普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)發(fā)送到小區(qū)中心節(jié)點，中心節(jié)點通過 GPRS 或 CDMA 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程的數(shù)據(jù)服務器。風險分析應隨著油田物聯(lián)網(wǎng)的不斷建設(shè)逐步開展，油田物聯(lián)網(wǎng)生命周期的不同階段也需要進行風險分析。

關(guān)鍵詞：油田物聯(lián)網(wǎng)；HART；Zigbee；風險識別

一、理論網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)模型

（一）單層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有的自動化油田數(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)點進行數(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)絡結(jié)構(gòu)要求每臺抽油機或其他設(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)絡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，傳輸可靠，抗干擾能力強。一個設(shè)備的損壞或者線路故障時，不會影響其它油井正常使用，不會造成整個系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)的安全可靠性比較高。

（二）多層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

另外一種方案是將油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為兩個層次，如圖2所示。每個工作小區(qū)現(xiàn)場布設(shè)普通節(jié)點和小區(qū)中心節(jié)點，小區(qū)中心為整個小區(qū)傳感網(wǎng)絡的中心，收集數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)達命令，其通過現(xiàn)有的網(wǎng)絡和架設(shè)在機房的服務器聯(lián)系。

二、小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

（一）傳感器與節(jié)點之間

1、有線方式

傳感器與節(jié)點之間的有線數(shù)據(jù)傳輸方式，當前比較常用的是HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠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，適度響應時間的通信，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)標準。

2、 無線方式

傳感器與節(jié)點之間若采用無線數(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訊技術(shù)，并且都使用ISM免執(zhí)照頻段，但它們各具特點。433MHz技術(shù)使用433MHz無線頻段，因此相比于Zigbee，433MHz的顯著優(yōu)勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。

（二）普通節(jié)點與小區(qū)中心節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸方式選擇

普通節(jié)點與小區(qū)中心節(jié)點數(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)中作為多機通訊使用有以下幾點不足：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）只適用于點對點的通訊，無法用最少的信號線實現(xiàn)多點對多點的通訊。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而設(shè)計的標準接口。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)濟型的、傳統(tǒng)的工業(yè)總線方式。主要特點如下：1）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps。2）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。3）RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000m，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。

（三）數(shù)據(jù)傳輸類別

數(shù)據(jù)常規(guī)上行是指各節(jié)點按照設(shè)定的采集間隔將數(shù)據(jù)采集并上傳，其流程如圖3所示。

1、數(shù)據(jù)按需上行，除了常規(guī)按間隔采集數(shù)據(jù)之外，在某些情況下，控制人員需要查看即時數(shù)據(jù)，這時就需要數(shù)據(jù)按需上行模式，這種模式采用一問一答模式。

三、 實現(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)絡接入Internet的能力。針對傳感節(jié)點的資源現(xiàn)狀和WSN的應用領(lǐng)域，雖然國內(nèi)外存在眾多不同的網(wǎng)絡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[3]。

四、網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設(shè)計

（一）節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

小區(qū)中心結(jié)構(gòu)如圖6所示，與普通節(jié)點間差別是沒有安裝GPRS（CDMA）模塊，即小區(qū)中心節(jié)點同時也具有完備的普通節(jié)點的采集數(shù)據(jù)和動作控制能力。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。

五、 風險識別與分析

在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)初期，即在規(guī)劃設(shè)計階段就應開展風險分析。通過對油田物聯(lián)網(wǎng)中各個節(jié)點的分析，識別出各種風險以及出現(xiàn)風險的幾率，從而確定所采取的措施是否可行。

六、 結(jié)論

目前，該系統(tǒng)的實驗已經(jīng)在基于ARM9搭建的基站系統(tǒng)上實現(xiàn)，兩個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換方法順利實現(xiàn)透明傳輸。在移動通信的GPRS平臺上，實現(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)在油田遠物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中將具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]高志亮.數(shù)字油田及長安大學數(shù)字油田研究所介紹[EB/OL].（2005-10-04）[2010-08-12].

[2]Yick J，Mukherjee B.Ghosal D.Wireless sensor network survey[J]. Computer Networks，2008，52（12）：2292-2330.

[3]王東，張金榮，魏延，等.利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡[J]. 重慶大學學報：自然科版，2006，8（8）：95-97.