便攜式油田現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)終端適配器

王玉峰，于聰智，孫 威，孔 陽

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心河北任丘 062552；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

便攜式油田現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)終端適配器

王玉峰1，于聰智2，孫 威1，孔 陽2

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心河北任丘 062552；2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

油田現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行是保障油田高效生產(chǎn)的重要措施之一。本文基于油田物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和觸摸屏技術(shù)，提出利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建無線數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，以Cortex-M3內(nèi)核的微處理器為核心，編寫軟件實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面，以此來完成該檢控系統(tǒng)的整體構(gòu)建。目前，該系統(tǒng)的原型機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。

ZigBee；Cortex-M3；人機(jī)界面；檢控系統(tǒng)

我國(guó)油田油井?dāng)?shù)量多，且大多分布在野外，無人看守，所處環(huán)境惡劣，油井設(shè)備的運(yùn)行易受自然和人為等各種因素的影響，油井?dāng)?shù)據(jù)的采集基本靠油田工人完成[1]。無論嚴(yán)寒還是酷暑，采油工人都必須定期開車攜帶大量的檢測(cè)設(shè)備到各個(gè)油井檢查設(shè)備運(yùn)行情況并且記錄采油數(shù)據(jù)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，很多儀器儀表的操作非常繁瑣，并且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性完全依賴于采油工人的工作責(zé)任心。并且經(jīng)常因?yàn)槭艿教鞖庾兓徒煌üぞ叩挠绊懚鵁o法正常獲得生產(chǎn)的參數(shù)，嚴(yán)重影響了油水井的自動(dòng)化管理[2]。

在油田應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)常涉及到對(duì)分散的各個(gè)油水井設(shè)備集中管理的問題，一般使用布置光纖等方法實(shí)現(xiàn)集中管控或使用手機(jī)應(yīng)用軟件APP管理油水井設(shè)備。一定程度上解決了上述問題，但是這些技術(shù)還有很大的局限性。

1）采用布置光纖的方法可以將各油井設(shè)備集中管理起來，在監(jiān)控中心查看設(shè)備運(yùn)行狀況，其缺點(diǎn)是布置光纖過于復(fù)雜，易受外界環(huán)境影響，導(dǎo)致斷網(wǎng)，光纖出現(xiàn)問題后維修不便；

2）采用手機(jī)應(yīng)用軟件APP能夠滿足管理油水井設(shè)備的要求，但需要對(duì)現(xiàn)有終端設(shè)備升級(jí)改造，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)要求苛刻，易受外界黑客的攻擊，威脅到油水井信息安全，對(duì)國(guó)家利益造成損失。

目前，油田在數(shù)據(jù)采集及傳輸網(wǎng)絡(luò)上的現(xiàn)狀如下：

1）油井位置分散，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，存在著多種傳輸方式；2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊接口眾多，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；3）實(shí)現(xiàn)對(duì)油田所有油井設(shè)備的監(jiān)控管理是不可能的。

1 系統(tǒng)分析

文中將傳感器技術(shù)、ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用GUI技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)界面，數(shù)據(jù)采用modbus協(xié)議封裝，安全可靠，不會(huì)泄露油田信息，使用嵌套式界面可以實(shí)時(shí)查詢需要了解的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備分析結(jié)果進(jìn)行校正設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，能夠達(dá)到安全穩(wěn)定集中管控油水井設(shè)備的需求。

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行時(shí)，終端設(shè)備采用定時(shí)的方式采集數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。這種方式不利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。鑒于此，本文采用實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，采油工人到現(xiàn)場(chǎng)巡檢時(shí)，想要了解現(xiàn)場(chǎng)情況，只需要通過該網(wǎng)絡(luò)終端適配器來查看現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況，并給終端設(shè)備發(fā)送命令，終端設(shè)備對(duì)其命令進(jìn)行判斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的物理動(dòng)作。達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控目的。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，是建立在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上的，協(xié)議棧采用分層的結(jié)構(gòu)協(xié)議分層的目的是為了使各層相對(duì)獨(dú)立，每一層都提供一些服務(wù)，服務(wù)由協(xié)議定義，我們只需要關(guān)心與他的工作直接相關(guān)的那些層的協(xié)議，他們向高層提供服務(wù)，并由底層提供服務(wù)。

圖1 ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)圖

物理層負(fù)責(zé)信道的選擇以及通過物理信道對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層主要實(shí)現(xiàn)信道介入，發(fā)送和接收幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層主要用于zigbee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)安全。應(yīng)用層包含應(yīng)用支持子層，應(yīng)用程序框架層和ZDO設(shè)備對(duì)象，主要為zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用給提供一些應(yīng)用框架模型。

每個(gè)油田所管理的油井成百上千，油井位置相對(duì)分散，采用單個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋單個(gè)油井的辦法，不同的 zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)之間是通過它們的PanID來區(qū)分的，一個(gè)PanID對(duì)應(yīng)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，PanID不同，網(wǎng)絡(luò)之間無法通信[3]。PanID是通過f8wConfig.cfg文件中的 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID設(shè)置的，范圍為0x0000—0x3FFF，通過zb_GetDeviceInfo（ZB_INFO_PAN_ID，&pan_id）函數(shù)讀取[4]。

采油工人進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)范圍，請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，綁定。協(xié)調(diào)器收到命令后，以廣播的方式將命令通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給終端設(shè)備，終端設(shè)備將數(shù)據(jù)包解析出來，執(zhí)行相應(yīng)的物理動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用ModBus協(xié)議封裝，通過ZigBee無線網(wǎng)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并最終在LCD觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示油田現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息[5]。

2 系統(tǒng)方案

2.1 設(shè)計(jì)總體方案

無線系統(tǒng)將油田的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將所有數(shù)據(jù)以MODBUS協(xié)議封裝，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、安全、低成本地將數(shù)據(jù)在液晶觸摸屏顯示[6]。該便攜式油田現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)終端適配器用于巡檢工人對(duì)油田、油井的設(shè)備檢測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示；實(shí)時(shí)了解相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)處理突發(fā)事件。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 芯片的選擇與介紹

ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真證的片上系統(tǒng)解決方案，CC2530是針對(duì) IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)且低功耗。CC2530結(jié)合了一個(gè)完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個(gè)8051微處理器，8 kB的RAM，有一套廣泛的外設(shè)集——包括2個(gè)UART（一個(gè)配置為RS232通信，一個(gè)配置為 SPI通信）、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和21個(gè)通用GPIO，非常適合低功耗成本項(xiàng)目開發(fā)[7]。所以本系統(tǒng)選擇CC2530作為zigbee無線網(wǎng)絡(luò)芯片。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

該檢控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)終端適配器模塊、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)模塊以及zigbee終端設(shè)備模塊3部分組成。

1）網(wǎng)絡(luò)終端適配器模塊 該模塊由CC2530射頻電路和適配器電路組成。該部分采用STM32F103RC芯片，該芯片擁有ARM公司高性能“Cortex-M3”內(nèi)核，4 Mb/s的UART，1 μs的雙12位ADC以及其它豐富的接口[8]。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，也可以對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制管理，并且可以直接與采油工人進(jìn)行可視化的信息交流。

網(wǎng)絡(luò)終端適配器特點(diǎn)如下：首先，要攜帶方便，因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)可以查詢和控制所有設(shè)備，因而要求該適配器是便攜式的并具有無線通信功能。其次，要配置動(dòng)態(tài)界面，不同的油井可能會(huì)有不同的設(shè)備，設(shè)備的數(shù)目、類型也不一定完全相同，基于這些方面的差異，該適配器要配制成動(dòng)態(tài)的。可以針對(duì)不同的油井配置不同的動(dòng)態(tài)界面。最后，操作容易，該適配器是為油田工人巡檢時(shí)配置的，一定要設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單、直觀、靈活，便于采油工人實(shí)用的用戶界面。

協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)模塊網(wǎng)關(guān)模塊是ZigBee協(xié)調(diào)器。Zigbee協(xié)調(diào)器部分由CC2530射頻電路組成，主要負(fù)責(zé)zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的組建，網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)[9]。接收到命令后zigbee協(xié)調(diào)器以廣播的方式將命令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信最關(guān)鍵的因素是實(shí)現(xiàn)它們應(yīng)用層之間信息流的綁定。綁定實(shí)際上就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用層上建立起來的一條邏輯鏈路，以實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)設(shè)備地址未知的情況下，向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的目的。

在油田現(xiàn)場(chǎng)采用match的模式來實(shí)現(xiàn)綁定功能，即協(xié)調(diào)器調(diào)用zb_AllowBind（uint8 timeout）函數(shù)將其狀態(tài)設(shè)置為允許綁定，終端設(shè)備可通過zb_ BindDevice（）函數(shù)發(fā)送綁定請(qǐng)求，以此來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備的綁定[10]。zb_AllowBind（uint8 timeout）函數(shù)通過設(shè)置參數(shù)timeout對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置，它代表目標(biāo)設(shè)備進(jìn)入綁定時(shí)間。當(dāng)timeout為0x00時(shí)，目標(biāo)設(shè)備取消允許綁定模式，timeout為0xff時(shí)，目標(biāo)設(shè)備被設(shè)置為允許綁定模式，調(diào)用函數(shù)afSetMatch（）實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)描述符匹配。

2）zigbee終端設(shè)備模塊 zigbee終端設(shè)備由傳感器和CC2530電路構(gòu)成[11]。主要實(shí)現(xiàn)加入zigbee無線網(wǎng)絡(luò)功能，控制傳感器數(shù)據(jù)采集功能以及對(duì)協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令格式進(jìn)行判斷的功能.也就是說zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，終端設(shè)備接收后，進(jìn)行判斷，命令是否為MODBUS數(shù)據(jù)格式，是否是對(duì)本設(shè)備的控制命令，如果判斷正確，控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖3 終端設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)射頻部分采用巴倫電路對(duì)高頻電流進(jìn)行平衡不平衡轉(zhuǎn)換。如圖3所示。

圖4 平衡不平衡轉(zhuǎn)換電路圖

CC2530使用12位ADC滿足現(xiàn)場(chǎng)精度要求，由于CC2530芯片包含一個(gè)SPI通信接口，這也給另加高精度ADC后對(duì)其控制提供了可能。傳感器將采集到的油溫、油壓等數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

由于本系統(tǒng)所用射頻電路信號(hào)為2.4 GHz，信號(hào)頻率高，波長(zhǎng)較短，PCB板在設(shè)計(jì)時(shí)射頻部分尺寸應(yīng)盡量減小[12]。在差分信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱味诵盘?hào)電路（即不平衡狀態(tài)與平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換巴倫電路）器件擺放時(shí)，應(yīng)盡量使差分信號(hào)部分電路器件保持對(duì)稱。由于電路板每一個(gè)過孔會(huì)帶來10 pF電容效應(yīng)，所以采用菱形過孔，避免其對(duì)信號(hào)帶來的干擾，并且選擇最小過孔尺寸（減小過孔寄生電容）[13]。在頂層射頻電路對(duì)應(yīng)的底層板不應(yīng)放置任何器件。最終的PCB圖如圖所示。最關(guān)鍵的是為了降低回?fù)p，傳輸線拐角應(yīng)采用45度角理[14]。

3）顯示界面 在界面顯示模塊分為兩部分：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示部分采用Image2軟件將JPEG格式的圖片轉(zhuǎn)換成C語言數(shù)組，從數(shù)組中選出要顯示的圖像的長(zhǎng)度和高度，然后根據(jù)轉(zhuǎn)換圖片時(shí)的掃描順序進(jìn)行填色處理，并且C語言數(shù)組里面數(shù)據(jù)大小代表顏色深度；動(dòng)態(tài)顯示部分是根據(jù)要顯示的動(dòng)態(tài)數(shù)字位置坐標(biāo)，把RS232串口接收到的數(shù)據(jù)

圖5 射頻電路PCB設(shè)計(jì)

在圖片預(yù)留位置進(jìn)行顯示[15]。

圖6 顯示控制界面

3 結(jié)束語

文中首先結(jié)合實(shí)際應(yīng)用分析了該便攜式油田現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)終端適配器的功能并給出設(shè)計(jì)方案，依照提出的方案，完成了基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選取以Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，并根據(jù)功能添加了外圍功能芯片，設(shè)計(jì)了原理圖并完成制板工作，搭建起硬件平臺(tái)；在軟件方面，采用GUI編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)友好界面的編寫，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用ModBus協(xié)議，統(tǒng)一了數(shù)據(jù)傳輸格式，使各模塊銜接更加緊密，及時(shí)的將數(shù)據(jù)上傳給該網(wǎng)絡(luò)終端適配器，由采油工人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況作出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣水井的管理和控制。并且在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)該網(wǎng)絡(luò)終端適配器的性能做了測(cè)試以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平。

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Portable oil field network terminal adapter

WANG Yu-feng1，YU Cong-zhi2，SUN Wei1，KONG Yang2
（1.PetroChina Huabei Oilfield Branch Data Center，Renqiu 062552，China；2.The Earth Physics and Information Engineering Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The normal operation of the oil field is one of the important measuresto guarantee efficient production.In this paper，based on the field the Internet of things technology and touch screen technology，awireless data acquisition and transmission network is built with ZigBee wireless local area network.The system uses Cortex-M3 as the core unit.The software is written，which can realize the friendly human-machine interface.All of these are used to realize the system which can monitor the field equipments.At present the system prototype is implemented.The field experiment shows that this system has stable performance and the indicators are up to grade.

ZigBee；Cortex-M3；human-machine interface；monitoringsystem

TN92

：A

：1674－6236（2017）01-0097-04

2016-04-18稿件編號(hào)：201604185

國(guó)家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧油田的應(yīng)用示范項(xiàng)目（CNGI-12-03-043）

王玉峰（1984—），男，河北行唐人，工程師。研究方向：油田信息化。