基于LoRa無線傳感器網(wǎng)絡的帶壓作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)設計

賀靖淇 梅大成 陳亞萍 蘇杰

摘要：LoRa作為新興的無線通信技術(shù)，以其低成本、低功耗、遠距離、自組織等特點，廣泛應用于智能家居、安全監(jiān)控、智慧油田、智慧城市等領(lǐng)域。本文針對油田采油井工作環(huán)境的復雜性性，設計了一套基于LoRa無線傳感器網(wǎng)絡的帶壓作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了采油井參數(shù)監(jiān)測、設備遠程控制等功能。并通過實驗證明了本系統(tǒng)不僅在功耗上滿足實際需求且運行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：LoRa；智慧油田；低功耗；傳感器網(wǎng)絡

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0022-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著工業(yè)化進程不斷加速，石油能源在各個化工行業(yè)以及日常生活中有著重要的價值，因此，一套高效率、低功耗、低成本的無線監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。采油井作為油田重要工作場景，傳統(tǒng)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)往往不能及時反應采油井重要數(shù)據(jù)參數(shù)、且存在布線困難、成本高，往往會受復雜的地理環(huán)境的限制，嚴重影響了系統(tǒng)的實時性和數(shù)據(jù)的準確性。為了解決上述情況，本文選用LoRa擴頻技術(shù)設計了采油井數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測工況，并且可以遠程控制設備運行狀態(tài)。

1 帶壓作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

以川慶某作業(yè)井為例，需要為油田采油井各個關(guān)鍵工作參數(shù)設計無線傳輸方案。油田采油井共分布著多個參數(shù)采集設備和一個數(shù)據(jù)集中器設備。

針對現(xiàn)場需求和LoRa無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，考慮將井口壓力、大繩拉力、卡瓦狀態(tài)、防噴器狀態(tài)傳感器節(jié)點作為“終端”負責采集信息，以監(jiān)控油田生產(chǎn)設備環(huán)境狀況和收集重要參數(shù)信息，用鋰電池供電；集中器節(jié)點則安裝在各油田監(jiān)控室，并通過串口與PC相連，實時監(jiān)控設備各關(guān)鍵參數(shù)，指導工作人員制定工作計劃，集中器由市電供電。這樣就將油井各傳感器采集設備和集中器設備構(gòu)成了多對一的網(wǎng)絡。

基于上述考慮，將井口壓力、大繩拉力、卡瓦狀態(tài)、防噴器狀態(tài)等傳感器作為終端節(jié)點，集中器節(jié)點在總控室與電池一起安裝，即每一個采油井使用一個集中器節(jié)點，每一個集中器節(jié)點即代表一個獨立的局域網(wǎng)絡，與其構(gòu)成網(wǎng)絡的多個傳感器節(jié)點作為其子節(jié)點。集中器節(jié)點也可以稱為網(wǎng)關(guān)，以433MHz無線通信頻段與子節(jié)點進行通信，以485串口透傳方式與PC機進行數(shù)據(jù)交互。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

2.1 傳感器節(jié)點

結(jié)合項目設計的具體需求，選擇ST公司的STM32F051芯片作為傳感器節(jié)點的主控芯片（MCU），該單片機支持等待、低功耗運行、低功耗等待、主動停止、和停止等5中低功耗模式，方便了Lora無線傳感器終端設備的低功耗設計，完全滿足需求。傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)。

傳感器模塊采用成熟的插入式標準化模塊，將模塊通過底板預留外設引腳與MCU相連接，實現(xiàn)設備通用化靈活配置。LoRa射頻模塊選用SX1278射頻模塊，具有超遠距離擴頻調(diào)制信道、高抗干擾能力和超低電流功耗，采用星型網(wǎng)絡架構(gòu)，可以將數(shù)百萬的無線傳感器組成網(wǎng)絡。

2.2 集中器節(jié)點

集中器節(jié)點采用Cortex-M0處理器完成主控功能，使用sx1276進行l(wèi)ora數(shù)據(jù)收發(fā)，集中器節(jié)點運行FreeRTOS系統(tǒng)，可支持本地實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)調(diào)取，也可直接發(fā)送數(shù)據(jù)到公網(wǎng)云服務器，供用戶遠程監(jiān)控。集中器節(jié)點具有LoRa自組網(wǎng)通信協(xié)議所有功能與特性，負責建立網(wǎng)絡，管理傳感器節(jié)點、存儲并上傳傳感器節(jié)點信息等功能，另外增加了串口透傳模塊與PC機軟件進行數(shù)據(jù)交互，為了滿足大量傳感器節(jié)點之間傳輸不沖突，故為集中器節(jié)點增加了所必需的GPS模塊，以達到集中器節(jié)點與傳感器節(jié)點進行精準時間同步，防止時鐘偏移現(xiàn)象發(fā)生。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)軟件主要包括傳感器節(jié)點軟件設計、集中器節(jié)點軟件設計兩部分。傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，并實時接收通過集中器節(jié)點下發(fā)的設備控制信息；集中器節(jié)點一方面負責網(wǎng)絡的配置和管理，另一方面收集各個傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后通過串口上傳至上位機軟件，并按需求下發(fā)控制信息以控制傳感器節(jié)點設備狀態(tài)改變[5]。

3.1 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點程序的主要任務分為“采集數(shù)據(jù)按時上傳”和“控制響應”，前者是按照給定的時間間隔采集傳感器數(shù)據(jù)，后者則包括“控制信息響應”和“入網(wǎng)、掉網(wǎng)時間處理”，采用終端處理方式。如圖1所示，傳感器節(jié)點初始化完成后，先產(chǎn)生入網(wǎng)隨機時間延時，避免多個傳感器節(jié)點同時向集中器節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，在成功加入網(wǎng)絡后獲取數(shù)據(jù)包發(fā)送時間和時間片，然后進入休眠狀態(tài)。傳感器節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，檢測信道中是否有數(shù)據(jù)要接收和是否到達定時發(fā)送時間，并在信道中有數(shù)據(jù)要接收或到達定時發(fā)送時間時喚醒，信道中有數(shù)據(jù)要接收時，LoRa終端進入接受狀態(tài)，在數(shù)據(jù)接收完后對數(shù)據(jù)進行解析，然后執(zhí)行相應操作，若到達定時發(fā)送時間，則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包封裝，然后上報，完成上述操作后LoRa終端進入休眠狀態(tài)。

3.2 集中器節(jié)點軟件設計

集中器節(jié)點的任務相對簡單，只需要接收和處理自組網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡消息、并按規(guī)定時間對整個網(wǎng)絡中的節(jié)點進行時間同步、規(guī)劃節(jié)點上報時間并下發(fā)時間片。網(wǎng)絡消息分為來自串口上位機的設備控制命令和來自各個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)消息。如圖2所示，集中器節(jié)點初始化完成后處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)下，檢測是否接收到串口數(shù)據(jù)和信道中是否有數(shù)據(jù)要接收。]若收到串口數(shù)據(jù)（上位機軟件通過串口下發(fā)的指令等），則對串口數(shù)據(jù)進行解析，解析完成后對串口數(shù)據(jù)進行打包和下發(fā)。若信道中有數(shù)據(jù)要接收，則進行數(shù)據(jù)接收，并在數(shù)據(jù)接收完成后對其進行解析，若接收到的數(shù)據(jù)為上報數(shù)據(jù)則將其上傳給主控設備，若接收到的數(shù)據(jù)為入網(wǎng)請求，則判斷其為新節(jié)點或舊節(jié)點，并執(zhí)行相應操作將發(fā)送入網(wǎng)請求的傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡中，然后進行時間同步和時間片下方，完成上述操作后LoRa集中器進入休眠狀態(tài)并按時喚醒進行CAD信道檢測。

4 終端測試

為了測試無線監(jiān)控系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和所涉及硬件功耗情況，采用1個集中器和2個節(jié)點組成一個簡易網(wǎng)絡進行測試進行丟包率計算，最終通過丟包率來判斷網(wǎng)絡穩(wěn)定性。

為選擇最佳通信參數(shù)，在不同的參數(shù)設置下對單一基站覆蓋的無線網(wǎng)絡進行仿真實驗。

具體的通信參數(shù)設置為：帶寬為125kHz，擴頻因子為12，編碼率為4/8，載波頻率為433MHz，發(fā)射功率為+14d Bm。配置dh11溫濕度傳感器進行功耗測試，數(shù)據(jù)采集上報周期為15s，利用Keithey2700數(shù)據(jù)采集儀測量監(jiān)控終端工作電流，功耗如表1所示。

從上表數(shù)據(jù)可以看出，測得系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下電流可以達到1.4?A，通過計算可知設備平均工作電流約為0.15mA，若采用20000mAh的電池，理想情況下設備可以運行近10年，能夠達到應用需求。

集中器設備能夠采集2個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)并在接收數(shù)據(jù)后可以上傳至PC機進行處理，我們通過2個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)和集中器收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)的差值進行比較，來計算網(wǎng)絡系統(tǒng)24小時的丟包率。測得數(shù)據(jù)和丟包率。

測試距離小于350米時丟包率不大于5%，通信穩(wěn)定、可靠，滿足當前項目需求。

5 結(jié)論

通過傳感器節(jié)點、集中器節(jié)點組建的無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)了采油井關(guān)鍵信息的采集、傳輸和處理。適用于采油井關(guān)鍵信息多而廣的應用需求，同時也大程度上降低了組網(wǎng)、部署和維護成本。作為油田信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)獲取的有效技術(shù)手段，無線傳感器網(wǎng)絡具有很好的應用前景。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：王力】