無線傳感器網絡在油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的運用分析

木巴熱克·安尼瓦爾

[摘 要]隨著我國科學技術的快速發(fā)展，無線傳感器網絡開始廣泛應用在社會生產的各個領域，油田行業(yè)也不例外。在油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，應用無線傳感器網絡可以實時傳遞油田生產數(shù)據(jù)信息，保證油田開采監(jiān)管的實時性、動態(tài)性?；诖?，本文首先提出無線傳感器網絡在油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應用架構，進而提出油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟硬件設計。

[關鍵詞]無線傳感器網絡；油田傳輸系統(tǒng)；設計

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.10.084

[中圖分類號]TP212.9；TN929.5 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2019）10-0-02

0 引 言

無線傳感器網絡中包含多種技術，包括傳感技術、無線網絡技術、計算機軟件技術，是一種多學科交叉、技術集成度高的新技術，以物聯(lián)網技術為核心，通過軟硬件結合不斷完善油田傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)油田開采現(xiàn)場實時監(jiān)控，保證生產效能和生產安全。在無線傳感器網絡應用中，通過GPRS/CDMA技術構建油田傳輸系統(tǒng)，將整個網絡劃分為兩級網絡結構，采用ZigBee樹形網絡實現(xiàn)，普通節(jié)點數(shù)據(jù)采用小區(qū)中心節(jié)點和GPRS/CDMA網絡發(fā)送到遠程服務器，在控制終端中實時顯示采集信息，實現(xiàn)油田現(xiàn)場的動態(tài)化管理。

1 無線傳感器網絡在油田傳輸系統(tǒng)中的應用框架

1.1 網絡結構

傳統(tǒng)的油田傳輸系統(tǒng)主要采用控制終端統(tǒng)一控制，是一種有線連接的方案，將多個傳感器相連接，并對數(shù)據(jù)進行采集、處理，在GPRS/CDMA模塊中即可將油田相關設備的運行信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。無線傳感器網絡大體上可以分為兩個層次，一是在采油井區(qū)域范圍內構建一個無線傳輸網絡，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄畢^(qū)中心；二是各個井區(qū)中心通過GPRS/CDMA將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接吞飻?shù)據(jù)中心。采用該方法的優(yōu)勢表現(xiàn)在以下兩個方面：第一，降低線纜的投入、敷設量，從而減少線纜施工費用，設備移動和運維更加方便；第二，通過集中傳輸信息，降低通信節(jié)點量。傳輸系統(tǒng)主要包括普通節(jié)點與小區(qū)中心節(jié)點，這兩個節(jié)點分工不同，但可以保證信息傳遞性能，普通節(jié)點通過傳感器采集設備信息，而小區(qū)中心是普通節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚中心，主要負責搜集相關信息數(shù)據(jù)并轉達命令。

1.2 網絡拓撲結構

普通節(jié)點采集完設備信息后將所采集的數(shù)據(jù)傳輸給中心節(jié)點，中心節(jié)點將匯聚的信息傳輸給服務器，普通節(jié)點間不產生信息通訊交互，這樣即可形成ZigBee樹形結構。

1.3 網絡路由

傳感器等設備接通電源之后，此時會自動連接所需連接的無線節(jié)點，通過網絡工具連接，待到節(jié)點連接完畢后會給予反饋，中心節(jié)點會獲取普通節(jié)點的連接請求，中心點根據(jù)所獲取的信息指令回復請求，連接中心、普通節(jié)點。應用短地址的通信識別碼可以提升連接速度，待到加入網絡許可被字節(jié)接受后，會自動切換網絡連接模式，節(jié)點即可正常工作。

在無線傳感器網絡系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用Trans—ACK模式，該模式通過點對點的方式發(fā)送數(shù)據(jù)信息，避免其他信息數(shù)據(jù)傳遞造成干擾，確保信息傳遞的穩(wěn)定性與安全性。系統(tǒng)允許數(shù)據(jù)最多重傳3次，如果依然失敗，系統(tǒng)自動判定點對點連接錯誤，自動斷開重新連接網絡。

2 網絡節(jié)點硬件設計

2.1 硬結結構

第一層次小區(qū)中心點連接電源管理模塊、RF模塊、傳感器、控制機構、狀態(tài)指示、GPRS/CDMA模塊。中心節(jié)點和普通節(jié)點體系大致相同，有多個和服務器連接的GPRS/CDMA模塊，所以中心節(jié)點包括普通節(jié)點所有性能，如動作控制功能等，同時也可以傳輸信息。此外，中心節(jié)點和普通節(jié)點所采用的太陽能電池、電池容量、運行軟件也存在很大的差異。

2.2 電源設計

節(jié)點電源供應關系會直接影響整體傳輸系統(tǒng)網絡的運行周期，所以在確保電源供應的基礎上，電能損耗也會隨之降低。普通節(jié)點需要實時采集信息數(shù)據(jù)，所以自供電方案更加適宜，建議采用“太陽能電池+鋰電池”組合形式。眾所周知，太陽能電池之所以沒有鋰電池使用面廣，主要是因為接受太陽能的電池，其電壓、功率波動較大，所以要保證DC電路的適應性能夠滿足太陽能電池的使用需求。DC電路設計輸入電壓為6～20 V，輸出電壓為4.4 V，要有80%以上的功率轉換率。

動態(tài)電源路徑選擇電路自帶數(shù)模擬轉換電路，實時檢測太陽能電池的電壓，結合具體的電壓數(shù)值判定太陽能電池的性能，判定是否啟動鋰電池或給鋰電池充電。在投入生產和使用中，電源供應切換間隔時間非常短，在5μs左右，由于輸電端設置了儲能電容，有效降低了工作電路復位或工作異常

的概率。

2.3 RF設計

采用與ZigBee節(jié)點應用性能相吻合的處理器，處理器要求復合ISM頻段2.4 GHz IEEE 802.15.4標準射頻收發(fā)器，確保網絡傳輸性能符合傳輸系統(tǒng)要求，滿足多點對多點的網絡傳輸要求。協(xié)議處理器的頻帶為2.400～2.4835 GHz，通過O-QPSK調節(jié)方案，具有超低能耗、高接受靈敏度的優(yōu)勢，IEEE 802.15.4 MAC層硬件支持自動幀格式生成、電源檢測、16 bit CRC校檢、同步插入檢測、自動MAC層安全保護等功能。協(xié)議處理器所需要的其他元件較少，主要包括晶振時鐘電路、射頻輸入或輸出匹配電路、微控制器接口。

協(xié)議處理器可以為IEEE 802.15.4提供數(shù)據(jù)幀格式需求，MAC層的幀格式為“頭幀-數(shù)據(jù)幀-校檢幀”；PHY層幀格式為“同步幀-PHY幀-MAC幀”。想要調節(jié)幀頭序列長度，可以重新設置寄存器，采用16位CRC校檢確保安全傳輸數(shù)據(jù)，避免丟包。發(fā)送、接收數(shù)據(jù)幀從RAM中128字節(jié)緩存區(qū)獲得影響的幀打包、拆包操作。

3 節(jié)點與網絡軟件設計

3.1 網絡連接與數(shù)據(jù)存儲

通過每個普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最多緩存1天時間（FIFO結構），如果保證每個節(jié)點能夠保持網絡連接，通常緩沖區(qū)不會存留數(shù)據(jù)信息。小區(qū)中心節(jié)點以時間為主進行前后排序，總緩存帶所管轄的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)存儲時間為24小時，也可以適當延長。油田小區(qū)中心節(jié)點主要連接到主服務器、普通節(jié)點，起到橋梁中轉的作用，連接成功后即可發(fā)送數(shù)據(jù)信息（普通節(jié)點→中心節(jié)點→總服務器），各個終端連接完畢后即可發(fā)送數(shù)據(jù)信息，將緩存數(shù)據(jù)全部發(fā)送到服務器。如果中心節(jié)點、服務器之間的中斷時間超過1小時，系統(tǒng)先斷開現(xiàn)有連接重新進行連接，并嘗試數(shù)據(jù)傳遞。在普通節(jié)點、中心節(jié)點、總服務器連接成功后，會將普通節(jié)點→中心節(jié)點的數(shù)據(jù)依次上傳，還可以在人機交互終端看到服務器讀取的數(shù)據(jù)信息以及歷史記錄。小區(qū)中心節(jié)點和手機系統(tǒng)相連接，可以通過智能手機遠程更改服務器IP地址、PORT端口號。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸類型

數(shù)據(jù)在傳遞過程中，各個節(jié)點按照設定標準進行數(shù)據(jù)采集，并定期上傳采集的數(shù)據(jù)。除了系統(tǒng)設定的上傳間隔外，在特殊情況下，控制人員可以在人機交互系統(tǒng)中實時查看生產數(shù)據(jù)，也就是采用按需上行模式，該模式采用一問一答，針對性調出相關數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)突發(fā)上行是在特殊條件下，節(jié)點采集的采油機等設備運行參數(shù)超出了設定閾值、太陽能電池系統(tǒng)失去電壓、可充電電池難以充電、保護殼意外打開等，此時常規(guī)節(jié)點會主動發(fā)送預警信息，工作人員看到預警信息之后即可到現(xiàn)場處理。命令下行是總服務器向中心節(jié)點發(fā)送命令請求，中心節(jié)點再連接普通節(jié)點，從而可以在操控終端上修訂運行閾值參數(shù)。在對整個網絡節(jié)點參數(shù)進行設置過程中，主要采用廣播形式，而采用點播形式某個節(jié)點進行設定。

4 無線傳感器網絡在油田數(shù)據(jù)將那傳輸系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢

4.1 規(guī)模大

在過去，為了能夠得到更加精準的信息數(shù)據(jù)，在監(jiān)控區(qū)域通常要布置大量的傳感器，甚至達到幾百個。由于油田規(guī)模非常大，想要全面掌控油田的生產現(xiàn)狀，必須要有足夠的傳感器支持，信息傳輸系統(tǒng)投入成本非常高。無線傳感器網絡可以通過不同空間視角獲得更多信息，信息比更大，通過將油田分為若干小區(qū)，并采用分布處理方案可以在采集大量信息基礎上，確保信息的檢測精度、傳輸效率，降低單個節(jié)點的精度要求。此外，由于存在大量冗余節(jié)點，所以系統(tǒng)更具容錯性。

4.2 自組織

在無線傳感器網絡中，需要將傳感器設置在需要采集數(shù)據(jù)的位置，如天然氣、有害氣體濃度傳感器。由于所需監(jiān)測的設備數(shù)量多，如果傳感器節(jié)點需要投入大量人力，并且無法保證系統(tǒng)安全，會提高運行成本。而無線傳感器網絡采用拓撲控制機制、網絡協(xié)議自動形成轉發(fā)的多級網絡系統(tǒng)，即使是因為客觀因素造成普通節(jié)點、中心節(jié)點、總服務器之間連接失效，系統(tǒng)可以不斷嘗試自動連接，直到連接成功為止，從而便可以減少傳輸系統(tǒng)網絡故障問題，確保信息傳遞的及時性。

4.3 動態(tài)性

網絡傳感器網絡拓撲結構會由于以下幾點因素發(fā)生改變：①環(huán)境或電能耗盡造成傳感器故障、失效；②環(huán)境條件變化可能會影響無線通信鏈路帶寬變化；③傳感器、感知對象、觀察者三者的移動性；④加入新節(jié)點。這些都要求傳輸系統(tǒng)滿足這些動態(tài)變化，整個系統(tǒng)要有動態(tài)調整性。

4.4 可靠性

由于油田監(jiān)測區(qū)域非常大、節(jié)點數(shù)量多，不可能人工對每個節(jié)點進行檢查。保證無線網絡傳感器通信的保密性、安全性十分重要，可以避免數(shù)據(jù)信息被盜取、篡改，所以在無線傳感器網絡軟硬件設計中，必須具備容錯性與魯棒性。

5 結 語

為了能夠有效提升無線傳感器網絡在油田傳輸系統(tǒng)中的應用效能，需要加強無線傳感器網絡技術研究，在確定主框架的基礎上，針對性展開軟硬件設計，保證信息傳遞的時效性、安全性，從而才能發(fā)揮無線傳感器網絡的作用。

主要參考文獻

[1]孫建延，許春香.無線傳感器網絡在油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的應用[J].儀表技術與傳感器，2012（6）.

[2]梁寶娟，孫少波.無線傳感器網絡在油田中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2012（3）.

[3]王永鵬.基于ZigBee無線傳感網絡的油田環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[D].呼和浩特：內蒙古大學，2014.

[4]劉佶，徐群.ZigBee無線傳感器網絡技術在油田信息采集系統(tǒng)中的應用[J].電子設計工程，2014（5）.

[5]康凱.無線傳感器網絡用于油田數(shù)字化管理系統(tǒng)[J].油氣田地面工程，2015（7）.

[6]李清輝，劉英，張亞順.物聯(lián)網建設中無線傳感器網絡（短距離無線）通信的幾個關鍵因素——以油氣生產物聯(lián)網的井（口）場數(shù)據(jù)無線通信為例[J].信息系統(tǒng)工程，2014（3）.