基于Zig Bee組網(wǎng)的通信組合技術(shù)與路由協(xié)議算法的優(yōu)化

楊軍 李丹 魏斌 張飛朋

1大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

2中國石油天然氣管道工程有限公司

3華北油田公司物資分公司第二供應(yīng)業(yè)務(wù)部

4中國石油新疆油田分公司采油二廠

隨著油田自動化、數(shù)字化的快速發(fā)展，對油田建設(shè)相配套的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)要求越來越高，特別是山間、野外現(xiàn)場集中的油水井?dāng)?shù)據(jù)采集，存在通信信號不穩(wěn)定等問題。對此，不僅要考慮傳輸速率，還要考慮穩(wěn)傳輸定性、成本、失效性和時延性等問題。

Zig Bee 技術(shù)是一種新的無線通信技術(shù)，它使用CSMA-CA 技術(shù)解決數(shù)據(jù)沖突問題[1]，使用16-bit CRC 來確保數(shù)據(jù)的正確性。其中，基于Zig Bee 2007 協(xié)議的SoC 芯片CC2530 每片價(jià)格不到20 元，采用1 節(jié)5 號電池可以為其持續(xù)供電三個月，具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。該芯片還具有組網(wǎng)靈活的優(yōu)勢，可以嵌入各個設(shè)備，具有自我修復(fù)能力。采用AES-128加密技術(shù)，對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，在保障了安全性的同時，兼具高可靠性、低成本、低功耗、短時延、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢，主要適用于遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

Zig Bee 路由協(xié)議是該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)核心[2]，其路由算法主要分為Cluster-Tree（分支路由）和AODVjr（距離矢量路由）。兩種路由算法各有優(yōu)缺點(diǎn)：在失效節(jié)點(diǎn)個數(shù)與平均端到端時延方面，AODVjr較有優(yōu)勢，而Cluster-Tree 在節(jié)約能量方面較有優(yōu)勢。

1 山西煤層氣田通信現(xiàn)狀

山西煤層氣田地勢較高，山多人少，存在信號不穩(wěn)定的問題。2 000多口井中，有1 300多口井在山上或者山間，現(xiàn)階段主要有兩種通信方式：Zig Bee 終端+McWill 和ZigBee 終 端+GPRS 傳輸 組合。兩種通信方式不僅應(yīng)用于單井，還應(yīng)用于井組。單井自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向?yàn)閭鞲衅鞑杉瘑尉當(dāng)?shù)據(jù)后，由Zig Bee 終端傳感器直接通過油田專網(wǎng)Mcwill 或GPRS（移動公司開設(shè)的無線專網(wǎng)）將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和實(shí)時監(jiān)控（圖1）。使用該通信方式，一個井組（10口井）需要使用10 套Zig Bee 終端傳感器（一體化示功儀）、10套GPRS模塊和手機(jī)卡。具體傳輸流程見圖1。

圖1 山西煤層氣田通信數(shù)據(jù)流向Fig.1 Communication data flow direction in Shanxi coalbed methane field

2 Zig Bee路由協(xié)議

某油田Zig Bee 采用的是Cluster-Tree 算法，利用特殊的網(wǎng)絡(luò)地址分配來尋找路徑，數(shù)據(jù)傳輸?shù)降拿恳粋€新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都會選擇一個有路由能力的節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)，下一節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，且每個子節(jié)點(diǎn)只有一個父節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)包傳送到某一個節(jié)點(diǎn)，假如該節(jié)點(diǎn)不是目標(biāo)地址，就會到父節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)尋找目標(biāo)地址，直到找到目標(biāo)地址（圖2）。

圖2 Cluster-Tree算法的數(shù)據(jù)流向Fig.2 Data flow direction of Cluster-Tree algorithm

由圖2可以看出，該算法路由節(jié)點(diǎn)沒有路由發(fā)現(xiàn)過程，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包分組時，如果數(shù)據(jù)包的目的地址不是本身，就會把數(shù)據(jù)包發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)或者父節(jié)點(diǎn)處理。當(dāng)由父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，因?yàn)樗?jīng)過的路徑都比較遠(yuǎn)，所以數(shù)據(jù)包無法確定是否經(jīng)過最短路徑來傳送，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包經(jīng)過多跳的數(shù)據(jù)傳輸，從而增大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖屎蜁r延性。

綜上所述，該算法存在以下問題：

（1）GPRS信號不穩(wěn)定。因?yàn)樯鲜鯶ig Bee終端傳感器（一體化示功儀）必須安裝在光桿上端，位置固定不變，如果該處恰逢無信號，會導(dǎo)致無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)連續(xù)性差，不能有效傳輸。

（2）針對井組的井場，需要多套Zig Bee 終端傳感器（一體化示功儀）、多套GPRS 模塊和手機(jī)卡，相對成本較高。

（3）成功傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)包有一定概率的失效性和延時性。每兩個小時采集一張功圖，會存在三天或四天丟失一張功圖的問題；發(fā)送采集命令，在一定時間后，才會上來功圖。

3 通信技術(shù)創(chuàng)新

Zig Bee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立一個新的網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，保證與其他設(shè)備間的正常通信，其數(shù)據(jù)流向如圖3所示。

圖3 ZigBee組網(wǎng)與GPRS模塊通信數(shù)據(jù)流向Fig.3 ZigBee network and GPRS module communication data flow direction

針對井組，可以在每口井上安裝Zig Bee 傳感器終端，在每個終端進(jìn)行傳感器地址設(shè)置，通過無線傳輸?shù)絑ig Bee協(xié)調(diào)器上，由協(xié)調(diào)器通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端服務(wù)器相應(yīng)算產(chǎn)軟件上。10口井綁定一個手機(jī)卡，通過傳感器中RTU 地址進(jìn)行區(qū)分處理，分類存儲并利用功圖算產(chǎn)。井組現(xiàn)場中，假如井口位置GPRS模塊信號不穩(wěn)定，可以將協(xié)調(diào)器擺放到信號相對穩(wěn)定的地方進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸。這種組合通信方式，需要10 套Zig Bee 傳感器、1 個Zig Bee 協(xié)調(diào)器和1 套GPRS 模塊，相較于之前的通信方式節(jié)約了成本。

4 算法結(jié)合優(yōu)化

AODVjr 路由算法的主要特點(diǎn)是能根據(jù)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)最短路徑來選擇路由[3]，從而減少了重復(fù)廣播次數(shù)，其缺點(diǎn)是多次廣播分組而消耗過多的能量；Cluster-Tree 的主要缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)包到達(dá)的節(jié)點(diǎn)如果不是目的節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)會通過該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)或者父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞，從而導(dǎo)致路徑變遠(yuǎn)，但是沒有經(jīng)過廣播分組，所以能量消耗相較于AODVjr要少。

結(jié)合Cluster-Tree和AODVjr算法，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分成兩種類型[4-7]：①節(jié)點(diǎn)剩余能量充足，且有足夠儲存空間去完成AODVjr 算法；②節(jié)點(diǎn)能量不充足，且沒有足夠的儲存空間，無法完成AODVjr算法。如節(jié)點(diǎn)能量不足，無法完成AODVjr 算法，將直接進(jìn)行Cluster-Tree 算法。沒有到目的節(jié)點(diǎn)的路由按照AODVjr 路由算法尋找通往目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑，找到目的節(jié)點(diǎn)后直接將數(shù)據(jù)包沿該最短路徑直接發(fā)送，無需再將數(shù)據(jù)傳送至子節(jié)點(diǎn)或者父節(jié)點(diǎn)[8]。也就是說，使用Cluster-Tree 傳輸方式按照AODVjr 優(yōu)化的路線進(jìn)行發(fā)送，從而在保證節(jié)約能耗的前提下，在一定程度上降低傳輸數(shù)據(jù)的失效性和時延性（圖4）。

圖4 優(yōu)化后的數(shù)據(jù)流向Fig.4 Data flow direction after optimization

5 系統(tǒng)應(yīng)用對比

山西煤層氣田成莊華蒲井組的4口井設(shè)在半山腰，新的通信組合模式于2018年4月投入使用。

（1）之前由于井場遠(yuǎn)離信號基站，信號十分不穩(wěn)定，于是為4 口井安裝Zig Bee 傳感器，將Zig Bee 協(xié)調(diào)器柜擺在井場東南角信號較好處，GPRS模塊通信成功，數(shù)據(jù)包遠(yuǎn)傳至服務(wù)器，完成采集、存儲、算產(chǎn)等功能。該通信系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

（2）之前一個井組4 口井通信組合需要4 套Zig Bee 終端+4 套GPRS 模塊（手機(jī)卡），而新的通信組合僅需要4套Zig Bee終端+1套Zig Bee協(xié)調(diào)器+1 套GPRS 模塊（手機(jī)卡），在很大程度上節(jié)約了成本。

（3）針對Zig Bee 路由協(xié)議，使用NS2 仿真優(yōu)化后的算法與前兩種算法的失效節(jié)點(diǎn)和延長時間[9-10]進(jìn)行比較。仿真場景共80 個節(jié)點(diǎn)，設(shè)置區(qū)域大小為800 m×600 m 的仿真場景，共80 個節(jié)點(diǎn)，仿真時間為200 s，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始能量為100 J，整個網(wǎng)絡(luò)總能量為5 000 J。仿真后時效性和平均端到端時間如圖5、圖6所示。

圖5 失效節(jié)點(diǎn)與運(yùn)行時間關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between failure node and running time

圖6 平均端到端時間與節(jié)點(diǎn)個數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve between the average end-to-end time and the number of nodes

仿真結(jié)果表明：兩種算法優(yōu)化后，失效性和時延性明顯得到了改善。由于該油田處于Zig Bee Cluster-Tree 算法的應(yīng)用層，并不能直接對路由協(xié)議算法進(jìn)行更改與完善，需將此情況盡快反饋給Zig Bee 廠家，讓其按照上述優(yōu)化思路進(jìn)行優(yōu)化，在保證節(jié)約電池能量的同時，降低Zig Bee 傳輸?shù)氖院蜁r延性。