基于LoRa技術的油田井口數據監(jiān)測系統(tǒng)設計

孟開元+韓佳佳+曹慶年+張珂

摘要： 關鍵詞： 中圖分類號： 文獻標志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0083-03

Abstract： The working environment of oil field is very complicated， and the existing ZigBee technology has limited transmission distance and too many nodes. Focusing on these problems， this paper puts forward a design of oil field wellhead data monitoring system based on LoRa technology. The system takes the SX1278 chip as the core， and adopts the startype network to realize the functions such as collection， storage， transmission and display of oil field wellhead data.

0引言

油田井口數據是反映油井設備正常工作的重要指標，油井設備的正常工作有助于提高整個油田的安全性和生產效率。目前，油田井口數據監(jiān)測主要是采用ZigBee技術。但是，隨著油井數量越來越多，井口數據采集的節(jié)點與節(jié)點、節(jié)點與網關之間的距離也越來越大，又因為ZigBee技術的通信頻率高，信號在傳輸中衰減非常快導致傳輸距離有限、易受干擾、傳輸過程中產生了眾多節(jié)點而導致網絡結構復雜[1]，無形中增加了成本并且對后期維護帶來諸多不便。

LoRa（Long Range，遠程）技術是一種LPWAN（低功耗廣域網）通信技術，具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性[2]。本文將LoRa技術應用到井口數據監(jiān)測系統(tǒng)中，實現遠程數據監(jiān)測，大大減少了節(jié)點的數量，節(jié)約了成本，便于后期維護。

1系統(tǒng)總體設計

近年來為實現油田在產能、成本上的突破，現代油田逐漸向智慧化方向發(fā)展，甚至提出智慧油田系統(tǒng)，本文所做的工作就是向這一目標邁進。該系統(tǒng)是在LoRa技術的基礎上重新設定用于監(jiān)測油田井口數據的一套系統(tǒng)。

在此之前，應用于這套系統(tǒng)中的是ZigBee無線技術，ZigBee技術的主要特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低速率以及成本低[3]。正因為這些特點，ZigBee技術得到了廣泛的應用，但是隨著技術的不斷變革，越來越多的新技術陸續(xù)涌現，其中以LoRa和NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）的新興技術對傳統(tǒng)的技術形成了巨大的沖擊。在綜合考量之后，該系統(tǒng)引入了功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離更遠的LoRa技術進一步降低生產成本。

系統(tǒng)總體網絡結構如圖1所示，主要包括數據終端、LoRaWAN網關、 LoRaWAN服務器和用戶終端4個部分。

數據終端由各個井口的眾多儀表組成，采用星型組網方式，用來采集油田井口的各種數據，包括壓力、載荷、功率等，并將采集的數據通過LoRa網絡發(fā)送至LoRaWAN網關；LoRaWAN網關主要負責通過LoRa網絡與各傳感器節(jié)點間數據的接收和發(fā)送，同時將收到的數據通過以太網上傳至LoRaWAN服務器；LoRaWAN服務器主要用于存儲和處理采集的數據，智能分析每個傳感器節(jié)點的工作狀態(tài)，提取具有價值的信息，便于用戶訪問和使用；用戶終端主要是為用戶提供1個數據訪問的平臺。由此可見，該系統(tǒng)的設計不僅為用戶提供了便捷的查詢和管理功能，有助于該領域走向智慧化、人性化。

2關鍵技術及系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)網絡拓撲設計

LoRaWAN網絡選擇星型拓撲結構，其相較于mesh網絡的優(yōu)缺點如表1所示。

2.2硬件設計

本系統(tǒng)的MCU芯片STM32L072CZ是基于ARM Cortex-M0+架構的微處器，具有 192 KB的存儲容量、20 KB的RAM、20 KB的EEPROM，能夠滿足儀表系統(tǒng)所需要的空間。硬件設計中，所選用的傳輸模塊是SX1278。 SX1278芯片是SEMTECH公司推出的帶擴頻調制解調技術的產品，由于其相對傳統(tǒng)的FSK和OOK調制系統(tǒng)傳輸距離遠、抗干擾能力強，加上SX1278工作在ISM開放的頻段，無需授權[5]?？紤]到以上因素，最終選擇以SX1278為核心的LoRa模塊。數據終端和LoRaWAN網關中都用到了SX1278模塊，其對應的節(jié)點結構圖如圖2所示。

2.3軟件設計

該監(jiān)測系統(tǒng)，除了使用最新的LoRa擴頻技術外，還用到了LoRa聯盟為LoRa通信網絡設計的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構LoRaWAN。

LoRaWAN協(xié)議主要有3類通信方式：終端雙向通信（A類）、具有接收時隙的終端雙向通信（B類）和最大接收時隙的終端雙向通信（C類）[5]。在3類通信方式中因為接收窗口的開放時間有所差異：A類只在發(fā)送數據后很短的時間內打開接收窗口來接收下行數據，主要應用有垃圾桶監(jiān)測、煙霧報警器、氣體監(jiān)測等；B類在發(fā)送數據后每隔一段時間啟動接收窗口接收下行數據，主要應用有閥控制水氣電表、儀表等；C類除了發(fā)送數據時，接收窗口一直處于打開狀態(tài)，主要應用有路燈控制等。這種接收機制直接導致A類功耗最低，C類功耗最大[6]。另外，規(guī)定高級類的附加功能向下兼容低級類，所有的LoRaWAN終端必須實現A類的功能[7]。

1）LoRa調制解調器配置。LoRa調制解調器的配置如圖3所示。

LoRa調制解調器采用專有的調制解調程序，將擴頻調制與循環(huán)糾錯編碼技術結合起來，從而提高了鏈路預算和抗干擾性。圖3顯示了發(fā)送和接收信息的簡要過程。其中，LoRa調制解調器擁有獨立的雙端口數據緩沖FIFO，而且在所有運作模式下均可通過SPI接口訪問該通道。選定LoRa調制模式之后，配置寄存器中SX1278的映射關系發(fā)生變化。endprint

2）LoRa數據分析。LoRa數據包包括前導碼、可選報頭、數據有效負載三部分組成[8]。前導碼使用來保持接收機與輸入的數據流同步。前導碼一般長12字節(jié)，長度可以通過編程設置。LoRa數據包結構如圖4所示。

在發(fā)送模式下，僅在需要發(fā)送數據包數據的時候才會啟動射頻模塊、PLL模塊及PA模塊，這樣可以優(yōu)化功率消耗率。數據終端既要完成儀表數據的采集，也需要通過LoRa網絡上傳和接收數據及命令。其中，LoRa典型的數據發(fā)送和接收序列分別如圖5、6所示。

3系統(tǒng)測試與分析

搭建測試環(huán)境，驗證該數據監(jiān)測系統(tǒng)運行的實際效果。測試中需要2個LoRa儀表，1臺PC機，其中1個儀表通過RS-232方式與PC機連接，利用串口調試工具顯示兩者之間通信的實時情況。測試的中心頻率為433 MHz、發(fā)射功率20 dbm、串口波特率9 600 bps、數據位8 bit、停止位1 bit。

為了能測試出最大的通信距離，在空曠的郊區(qū)選取不同的位置進行大量測試，每次發(fā)送數據包100個。部分測試情況如表2所示。

4結束語

本文將低功耗廣域網技術應用到油田井口儀表數據傳輸中，通過新型的LoRa無線網絡和公網實現用戶終端和油田井口儀表之間的通信，達到用戶終端遠程監(jiān)測各個儀表的數據和運行狀態(tài)。本文從系統(tǒng)的網絡結構、軟硬件設計方面進行了詳細的分析。從測試結果表明，系統(tǒng)通信距離遠、功耗低、成本低，能極大地滿足數據監(jiān)測系統(tǒng)的需求，應用前景非常廣泛。

參考文獻：

[1] 趙太飛， 陳倫斌， 袁麓，等. 基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設計與實現[J]. 計算機測量與控制， 2016， 24（9）：298-301.

[2] 劉琛，邵震，夏瑩瑩. 低功耗廣域LoRa技術分析與應用建議[J]. 電信技術， 2016， 1（5）：43-46，50.

[3] 趙靜，蘇光添. LoRa無線網絡技術分析[J]. 移動通信，2016，40（21）：50-57.

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[6] LI Lingling， REN Jiuchun， ZHU Qian. On the application of LoRa LPWAN technology in sailing monitoring system[C]//2017 13th Annual Conference on Wireless Ondemand Network Systems and Services （WONS）. Jackson， WY， USA：IEEE， 2017：77-80.

[7] 楊磊，梁活泉，張正，等. 基于LoRa的物聯網低功耗廣域系統(tǒng)設計[J]. 信息通信技術， 2017（1）：40-46.

[8] 龔天平. LORA技術實現遠距離、低功耗無線數據傳輸[J]. 電子世界， 2016（10）：115，117.endprint