油田井場監(jiān)測中ZigBee節(jié)能技術(shù)研究

王振軍（大慶油田天然氣分公司）

油田井場監(jiān)測中ZigBee節(jié)能技術(shù)研究

王振軍（大慶油田天然氣分公司）

數(shù)字油田是如今石油石化企業(yè)的發(fā)展方向，以油田井場監(jiān)測中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用為背景，學(xué)習(xí)ZigBee協(xié)議，深入研究ZigBee技術(shù)中的路由算法，包括Cluster-Tree、AODV、AODVj r和ZBR路由算法。ZigBee技術(shù)受現(xiàn)有協(xié)議的限制，會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)能量消耗過快和節(jié)點中斷等問題，修改ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層并對現(xiàn)有路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，通過搭建NS2仿真實驗平臺，將改進(jìn)后的ZBR路由算法與原有ZBR路由算法在分組遞交率方面進(jìn)行性能對比分析。可以達(dá)到節(jié)能減耗的目的。

數(shù)字油田；ZigBee路由算法；節(jié)能；分簇

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.004

隨著社會經(jīng)濟(jì)的全球化，全球?qū)τ谑偷男枨罅吭黾?，石油工業(yè)是國家的經(jīng)濟(jì)命脈，更應(yīng)該引進(jìn)各種先進(jìn)的技術(shù)來提高生產(chǎn)效率使利益最大化。井場監(jiān)測主要目的就是將傳感器監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)傳輸給控制間，但是大部分工廠還是采用布線的方式，這樣不僅影響美觀，還可能造成生產(chǎn)安全問題。如果我們可以將無線通訊技術(shù)運用到實際生產(chǎn)中，利用其無需提前架設(shè)線路、覆蓋面積更廣、成本低，還可以隨時隨地為客戶提供信息等優(yōu)點，這樣不僅可以減少布線所造成的資源浪費，還保證了工業(yè)現(xiàn)場的安全。ZigBee作為一種新型的短距離無線通訊技術(shù)具有傳輸功耗低、使用成本低、擴(kuò)展性高等優(yōu)點，通過改進(jìn)ZigBee協(xié)議，使得井場監(jiān)測達(dá)到節(jié)能的目的[1]。

1 問題的提出

如果有多處井場需要監(jiān)控時，此時會有多個節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中，AODVjr算法在路由發(fā)現(xiàn)的過程中會出現(xiàn)大量的RREQ分組，最終形成洪泛，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費，整個監(jiān)控過程中能量損耗過大。

RN-節(jié)點之間數(shù)據(jù)包只能通過樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸。如果需要傳輸?shù)谋O(jiān)測結(jié)果過多，節(jié)點很容易由于能量不足而失效，此時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就有可能丟失，它的后代節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中斷，此時網(wǎng)絡(luò)的連通性會變差，最終使得數(shù)據(jù)不能傳輸，能量消耗增加。

ZBR算法將AODVjr和Cluster-Tree算法結(jié)合使用，但是并沒有提供一種完整的機制來調(diào)節(jié)這兩種算法，這樣不僅使它們沒有更好地發(fā)揮優(yōu)點，還使得整個網(wǎng)絡(luò)的消耗更大。

針對以上問題，對原有ZBR算法進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)節(jié)點鄰居列表，利用鄰居列表來進(jìn)行路由，限制樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大跳數(shù)，使得節(jié)點能量消耗更加均衡，實現(xiàn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量消耗，達(dá)到井場監(jiān)測節(jié)能的目的。

2 ZigBee路由算法

2.1 Cluster-Tree算法

等級樹路由算法也被稱為Cluster-Tree路由算法。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)以樹型的方式從樹干傳輸?shù)綐渲蜆淙~，節(jié)點之間看作是父子關(guān)系。當(dāng)有不在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點加入的時候，采用如下方式進(jìn)行地址分配[2]。

假設(shè)當(dāng)前節(jié)點地址為A，網(wǎng)絡(luò)深度為d，目的地址為D，當(dāng)D和A滿足公式（1）時，該節(jié)點是不具有路由能力的RFD節(jié)點，無法為新加入的節(jié)點分配地址，所以要將數(shù)據(jù)包發(fā)送給它的父節(jié)點。

當(dāng)D和A滿足公式（2）關(guān)系時，將數(shù)據(jù)包向下發(fā)送給下一跳節(jié)點。

該子節(jié)點的地址N為

與其它復(fù)雜的算法相比，等級樹路由算法不需要建立路由表，維護(hù)路由，只需要當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳輸時計算下一跳的地址，這種方法在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目過多時不適合使用。

2.2 AODVj r路由算法

AODVjr算法通過三種控制分組路由包實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)，分別為RREQ分組、RREP分組、RERR分組。這3個分組分別負(fù)責(zé)路由請求的傳遞，收到路由后的信息回復(fù)和鏈路錯誤信息的回復(fù)[3]。

AODVjr路由算法比AODV路由算法實用性更高，速度更快，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定。兩者之間的區(qū)別如下：

1）簡化路由發(fā)現(xiàn)過程。目的節(jié)點序列號在改進(jìn)后的算法中被刪除了，減少了網(wǎng)絡(luò)中用來存儲序列號所產(chǎn)生的能量消耗，這樣做的原因是新算法規(guī)定只有目的節(jié)點才有資格在收到RREQ分組后回復(fù)RREP分組。

2）精簡路由維護(hù)過程。在AODVjr算法中，源節(jié)點收到有鏈路斷開的信息后會由上級節(jié)點首先進(jìn)行本地修復(fù)，如果無法修復(fù)就會放棄該節(jié)點，重新尋找路徑。這樣做RERR分組中只需要保存源節(jié)點的地址信息，并且減少了不必要的RERR分組的發(fā)送。

2.3 ZBR路由算法

Cluster-Tree算法并不能開啟路由發(fā)現(xiàn)，無法獲得最短路徑，這會造成整個網(wǎng)絡(luò)傳輸速率減慢，而且傳輸路徑長也會導(dǎo)致能量的消耗，AODVjr路由算法雖然能通過廣播RREQ分組的方式找到最短最佳路由路徑，但是會產(chǎn)生大量RREQ分組是多余的，同時還消耗了大量的有價值能量，ZBR混合路由算法就是結(jié)合兩種算法的優(yōu)點而實現(xiàn)的。

在ZBR路由算法中（圖1）將節(jié)點分成RN+和RN-兩種，其中RN+節(jié)點可以進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，找到數(shù)據(jù)傳輸最佳路徑，也就是啟動AODVjr路由算法，這樣的好處是彌補了當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大時，隨著跳數(shù)的增加造成的延時過大和能量消耗過多的問題[4]。RN-節(jié)點則采用樹路由算法，不需要儲存路由表，解決了AODVjr路由算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中由于大量轉(zhuǎn)發(fā)RREQ分組而造成的冗余問題。

圖1 ZBR算法基本路由流程

3 改進(jìn)算法的設(shè)計

3.1 分簇思想的提出

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)完成后，就需要通過分簇的方式將已經(jīng)組建好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割，以達(dá)到節(jié)能的目的，分簇步驟如下：

1）建立簇首節(jié)點列表SCH以及簇成員列表M(CHi)并進(jìn)行初始化，中心協(xié)調(diào)器作為第一個簇的簇首，將短地址0X0000加入到簇首節(jié)點列表中且設(shè)為該簇的簇標(biāo)CL。

2）更新簇首節(jié)點列表以及簇成員列表，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點會收到由中心協(xié)調(diào)器發(fā)送的消息，用來判斷當(dāng)前節(jié)點是否可以成為簇首。

3）收到消息的節(jié)點首先要判斷自身節(jié)點的功能，若為終端節(jié)點則加入到其父節(jié)點所在的簇中；若為路由節(jié)點則需要接收并判斷自身是否具有成為簇首節(jié)點的條件。查看鄰居列表獲取鄰居節(jié)點集合以及網(wǎng)絡(luò)深度；并根據(jù)該路由節(jié)點的剩余能量與全網(wǎng)中所有終端節(jié)點的剩余能量的平均值的比值計算能量水平值，如果大于1則說明該節(jié)點的能量要大于其他節(jié)點，該節(jié)點就具備成為簇首的基本條件。如果小于1則不足以擔(dān)任簇首，需要加入其父節(jié)點所在簇中。

4）一段時間后，中心協(xié)調(diào)器會根據(jù)申請記錄中節(jié)點的鄰居節(jié)點的個數(shù)、擔(dān)當(dāng)簇首的時間、節(jié)點的能量水平等計算這些記錄的節(jié)點權(quán)值大小，如果節(jié)點權(quán)值小則加入簇首節(jié)點表中并更新。

5）新的簇首會向周圍發(fā)送廣播報文，還沒有分配簇的節(jié)點接收報文，并且加入到簇首所在的簇內(nèi)。

6）簇首將新加入的簇成員節(jié)點更新到簇成員列表中，并同時獲取簇首到該節(jié)點的路由，簇成員節(jié)點則需要保存簇首的信息。

3.2 鄰居列表的設(shè)計以及最大跳數(shù)的限制

1）添加鄰居列表。2個節(jié)點構(gòu)成鄰居節(jié)點，那么這它們在一跳范圍內(nèi)可以直接通信，據(jù)此可以在具有路由能力的設(shè)備中添加鄰居節(jié)點的地址信息。包括主要以下幾個字段：

PAN ID：鄰居節(jié)點的16位標(biāo)識符；

Network Address：鄰居節(jié)點的16位網(wǎng)絡(luò)地址字段，有效區(qū)間為0x0000～0x3FFF；

Device Type：鄰居節(jié)點的設(shè)備類型，是否為具有路由功能的鄰居節(jié)點，即判斷該節(jié)點的設(shè)備類型是FFD還是RFD；

Extended Address：拓展地址為64位長地址；

Relationship：鄰居節(jié)點是該節(jié)點的父節(jié)點則為0x00；子節(jié)點0x01；

Neibour Power：鄰居節(jié)點的剩余能量。2）最大跳數(shù)的限制。Cluster-tree路由算法的最大跳數(shù)一般是網(wǎng)絡(luò)深度的兩倍，為了提高分組數(shù)據(jù)的傳輸效率以及節(jié)能減耗，可以限制最大跳數(shù)：令Dsource為發(fā)送節(jié)點的深度，Daim為接收節(jié)點的深度，此時最大跳數(shù)Dmax計算公式為

若子節(jié)點不是源節(jié)點的后代節(jié)點，二者共有的父節(jié)點深度為Df，則最大跳數(shù)計算公式為

4 仿真結(jié)果與分析

對ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行仿真實驗時，通過定義網(wǎng)絡(luò)剩余能量來判斷改進(jìn)算法的性能。

定義：令網(wǎng)絡(luò)剩余能量為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的剩余能量的總和。通過記錄網(wǎng)絡(luò)剩余能量隨著時間的變化，可以檢測網(wǎng)絡(luò)能量的消耗情況。計算公式如下：

網(wǎng)絡(luò)剩余能量=各個節(jié)點的剩余能量（6）

表1和表2分別記錄了數(shù)據(jù)流為5個和數(shù)據(jù)流為10個時，在網(wǎng)絡(luò)中使用ZBR算法和改進(jìn)的ZBRFNT算法時，得到的網(wǎng)絡(luò)剩余能量情況，由數(shù)據(jù)可以知道改進(jìn)算法可以減少能量的消耗。

表1 數(shù)據(jù)流為5個時網(wǎng)絡(luò)剩余能量

表2 數(shù)據(jù)流為10個時網(wǎng)絡(luò)剩余能量

圖2 數(shù)據(jù)流為5個時網(wǎng)絡(luò)剩余能量

圖3 數(shù)據(jù)流為10個時網(wǎng)絡(luò)剩余能量

圖2和圖3分別為數(shù)據(jù)流為5個和10個時，隨著時間增加，網(wǎng)絡(luò)剩余能量曲線。由圖可知隨著數(shù)據(jù)流的增加，分組數(shù)據(jù)和控制分組的數(shù)量也隨之增多，網(wǎng)絡(luò)總體剩余能量減少，能量衰減程度相對增加。但是在各時刻相比于傳統(tǒng)的ZBR算法，改進(jìn)后的ZBR_FNT算法網(wǎng)絡(luò)整體能耗更少。由此可見改進(jìn)后的算法可以有效的在井場監(jiān)測中節(jié)約能量。

基于ZigBee的油田井場監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是由很多個節(jié)點組成，包括協(xié)調(diào)器和其他通信子節(jié)點，它們組成的網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)油田井場的信息采集和設(shè)備控制等，系統(tǒng)的硬件實物圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件實物圖

5 結(jié)束語

在油田井場監(jiān)測中，ZigBee技術(shù)受現(xiàn)有協(xié)議的限制，會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)能量消耗過快和節(jié)點中斷等問題，因此，為了解決這些問題實現(xiàn)井場監(jiān)測過程中的節(jié)能，對網(wǎng)絡(luò)實行邏輯分簇，并通過添加鄰居列表、限制最大跳數(shù)等方式，在ZBR路由算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，最終通過NS2軟件實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，實驗結(jié)果表明改進(jìn)后的算法可以達(dá)到井場監(jiān)測節(jié)能的目的。

[1]劉新，吳秋峰.無線個域網(wǎng)技術(shù)及相關(guān)協(xié)議[J].計算機工程，2006，32（22）：102-110.

[2]符修文，李文峰.基于局限世界的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇演化模型[J].通信學(xué)報，2015，36（9）：204-214.

[3]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報，2013，35（1）：215-227.

[4]李秉毅，梁柯.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)識管理終端通信研究[J].計算機科學(xué)，2015，21（8）：41-43.

（編輯 鞏亞清）

高溫酷暑天應(yīng)急演練忙

6月15日，中國石化北京石油聯(lián)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)企業(yè)和消防人員在大興區(qū)南六環(huán)新立西橋東側(cè)進(jìn)行“輸油管道油品泄漏”應(yīng)急預(yù)案大型演練。當(dāng)日，北京氣溫飆至38℃。演練模擬巡線人員在巡視到新立橋東時發(fā)現(xiàn)輸油管道油品泄露，當(dāng)即向生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行匯報，生產(chǎn)指揮中心立即啟動搶險預(yù)案，組織工程搶險人員進(jìn)入現(xiàn)場，按搶險方案進(jìn)行堵漏、維修破損管道。完成修復(fù)后，報告指揮部，整個演練用時40分鐘。整個演練現(xiàn)場，應(yīng)急搶險隊伍人員反應(yīng)靈敏、行動迅速，實戰(zhàn)演練平穩(wěn)有序、安全有效，達(dá)到了預(yù)期效果。

胡慶明

2017-06-22

王振軍，2014年畢業(yè)于佳木斯大學(xué)（計算機應(yīng)用專業(yè)），從事油田生產(chǎn)技術(shù)管理工作，E-mail：wangzhenjun1@petrochina.com. cn，地址：黑龍江省大慶市紅崗區(qū)油氣加工一大隊，163511。