油田無線能量收取及低耗協(xié)議研究

（大慶油田有限責任公司第一采油廠 信息中心,黑龍江 大慶 163000）

1 油田無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著油田信息化的不斷發(fā)展，各巡視巡檢系統(tǒng)對無線網(wǎng)絡(luò)的需求逐年增大，如何保質(zhì)保量地提供信息，又能減少能量的損耗，一直是困擾油田無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要問題。油田一般采用壓電模型及溫差模型，實現(xiàn)油田機械振動能量的自動化收取。EnOcean 是常被油田使用的無線發(fā)送收取技術(shù)，作為超低功耗的短距離無線通信協(xié)議，多應(yīng)用于室內(nèi)能量收集，在智能家居、工業(yè)、交通、物流等領(lǐng)域也有涉及。應(yīng)用此項技術(shù)，可從油田機械工作和戶外工作中收取能量，并發(fā)散成無線信號，最后通過數(shù)據(jù)接口完成傳輸采集的信息對接。但目前，油田網(wǎng)絡(luò)傳輸能量損耗較為嚴重，無形中增加了油田運行成本，在油田技術(shù)應(yīng)用方面，要通過更為低耗的通信協(xié)議來降耗，對收取能量產(chǎn)生的能耗進行整理分析，積極從降耗、降能兩個方面入手，將能量轉(zhuǎn)化為電能，從而降低無線網(wǎng)絡(luò)的投入費用。

2 EnOcean 技術(shù)在油田無線能量收取中的應(yīng)用

EnOcean 技術(shù)適合油田開發(fā)應(yīng)用，該技術(shù)的廣泛使用不僅可以減少電纜鋪設(shè)及人力，也可取代部分戶外用的電池，降低維護費用和電費。下面重點介紹基于EnOcean 技術(shù)的兩種無線模塊供電方式。

2.1 無線模塊的振動供電

在油田生產(chǎn)中振動很普遍，如抽油機的振動、運行機泵的振動。油田企業(yè)可借助壓電模塊，通過壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動力量，控制內(nèi)部電荷定向運動產(chǎn)生電能。一般采用壓電薄膜微力傳感器效果更為顯著，雙壓電薄膜模塊具備雙向耦合特點，通過多次技術(shù)試驗，測出其傳感能力和執(zhí)行能力較高，是油田生產(chǎn)運行中振動信息收取的第一選擇。在確定好硬件傳輸設(shè)備后，振動供電一般采用EnOcean 無線電的868 MHz 民用開放頻段進行數(shù)據(jù)傳輸，有效避開了擁擠的2.4 GHz可能造成的干擾。通過EnOcean 協(xié)議與傳感器，會在第一個振動子報文傳出后的40 ms 內(nèi)，隨機重新發(fā)送兩個相同的子報文，這就大大降低了干擾導(dǎo)致的丟失數(shù)據(jù)的概率，這也是其他無線電協(xié)議所不可比擬的優(yōu)勢。

2.2 無線模塊的溫差供電

大慶油田位于寒冷的東北，在生產(chǎn)過程中，春秋溫差大，晝夜溫差也較較大。這些溫差可轉(zhuǎn)化為大量能量。應(yīng)用溫差無線模塊后，0.1 ℃的細微變化就可以發(fā)送2 000 個無線信號。可通過設(shè)定溫度閾值范圍，利用差值持續(xù)獲得能量。0.05 ℃的微小溫差，就可產(chǎn)生4 mV 的電壓，可推動溫差控件工作，節(jié)省油田無線信號的傳輸成本。EnOcean 協(xié)議可以將溫差能量轉(zhuǎn)換器與超低功耗電子設(shè)備和可靠的無線通信結(jié)合在一起，使系統(tǒng)在休眠時僅消耗非常少的能量。目前，油田使用的EnOcean 無線傳感器所需的待機電流僅為100 nA，有效地推動了油田企業(yè)無線能量收集的標準化、規(guī)范化、專業(yè)化。

3 油田無線能量存儲

3.1 存儲電路

振動電路由兩部分組成，分為A/D 整流電路和過濾電路。通過振動，把交流電轉(zhuǎn)成直流電，保證無線信號的穩(wěn)定傳輸。

3.2 電荷收取電路

在能量收取穩(wěn)定后，在電路中增加微動開關(guān)，可隨時控制關(guān)閉電路，避免電能浪費，同時無形中增加電流的電磁感應(yīng)，當電壓達到最大后，就隨時關(guān)閉電路，將能量提前存儲到電子硬件中，大大提升了信息傳輸效率。

3.3 能量升級

當收取能量微弱時，一般選擇升壓電路，該電路由電感、電容、開關(guān)管、二極管組成。利用二極管反向截止特點，當開關(guān)關(guān)閉時，通過升壓保證電流的持續(xù)性。

3.4 能量存儲

儲能器件主要包含超級電容及薄膜電容。本項目選用的是效率耐性較高的電容，長時間使用可忽略放電特性。密度雖然低于普通電容，但性能相對較高。普通電池的電壓值不高，而超級電容的電壓高且穩(wěn)定，常用于信號快速變化的傳輸情況。

4 無線傳感采集點消耗研究

油田生產(chǎn)中有些工作場地較為特殊。在油田艱苦的井場條件下，采集點信號補給經(jīng)常不足，采集點可能是不規(guī)則的，并需要避開河流湖泊等外部環(huán)境，組網(wǎng)沒有任何規(guī)則。所以，當采集點范圍廣時，要首先確定通信區(qū)域范圍，并選擇多次跳轉(zhuǎn)路由方式。當采集點需要遷移或硬件局部損壞時，網(wǎng)絡(luò)拓撲一般根據(jù)生產(chǎn)需求隨時改變。當采集點需要較少信號時，協(xié)調(diào)組織模塊發(fā)出標記，其他采集點處于休眠狀態(tài)。當生產(chǎn)需求達到峰值時，按照指定時間進行喚醒。如果傳輸距離較遠，采集點很久才會獲取到信息，傳輸過程有較多的消耗。解決方案是將收取器和電容器同步，減少能量損失。另外，無線傳輸需要控制數(shù)據(jù)量，通過詳細計算采集空隙時間，保障數(shù)據(jù)的質(zhì)量和時效。采集點的休眠時間越長，傳輸?shù)难訒r就多，相應(yīng)的能耗也會增加，所以要結(jié)合實際情況，在采集點休眠時長和數(shù)據(jù)傳輸量之間做好平衡，將能耗降至最低。

5 降耗路由協(xié)議

5.1 路由設(shè)置的必要性

在采集點和接收點之前，需要有一個穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。優(yōu)秀的傳輸協(xié)議可以保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。油田需要采集的信息多且地點廣泛。區(qū)域范圍大會帶來巨大負荷量，不適用于遠距離無線傳輸。普通的協(xié)議提供點到點服務(wù)，但如果存儲不及時，會影響油田的數(shù)據(jù)質(zhì)量。所以在效率高和低消耗方面需要做出選擇，這就需要一個均衡的協(xié)議來保障。

5.2 相關(guān)路由協(xié)議分析

在路由協(xié)議的要求下，相互產(chǎn)生反饋生成信息閉環(huán)。接收點需向采集點發(fā)出詢問，采集點接到后發(fā)送檢測信息。在Flooding（泛洪數(shù)據(jù)流協(xié)議）、SAR 路由協(xié)議等常規(guī)協(xié)議中，接收點要不停地發(fā)路由，不考慮算法，所以浪費了大量網(wǎng)絡(luò)資源。另外，常規(guī)協(xié)議還存在信息丟失的風險，如果接收點接到過多的冗余數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)風暴。該問題的解決方案是將同類型采集點形成簇結(jié)構(gòu)，按算法要求，選擇中心采集點為簇頭。在簇頭形成后，控制其他相關(guān)上、下層采集點，從而使很多協(xié)議應(yīng)用更為便捷，不存在單耗高、資源浪費情況?；谝韵聝煞N可靠的協(xié)議應(yīng)用，可以有效降低能耗。

5.3 Leach 協(xié)議

Leach 算法是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，該算法基本思想是，以循環(huán)的方式隨機選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、延長網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。仿真系統(tǒng)結(jié)果統(tǒng)計表明，與一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)分層算法相比，Leach 分簇協(xié)議可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%。Leach 協(xié)議在整體自組網(wǎng)中查詢總能量，并將總體數(shù)額、壓力負載均分到每個接收點，使整體自組網(wǎng)延長壽命，有效地降低風險。在油田工作中，相關(guān)人員可以協(xié)調(diào)本地集群組織，根據(jù)不同生產(chǎn)要求選取有效的簇首。當接到信息后，可處理匯總發(fā)送數(shù)據(jù)；通過應(yīng)用負載均衡技術(shù)，可有效避免冗余過高問題，使無線網(wǎng)絡(luò)電池電量消耗降低。目前生產(chǎn)應(yīng)用可達到降低無線能源消耗目的，提高整體效率。Leach 技術(shù)用信息壓縮和分層動態(tài)兩種方法，結(jié)合具體工作情況，可以提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和延展性，讓有效信息完成整合后再傳輸，大大降低發(fā)送的信息量，有力控制、均衡網(wǎng)絡(luò)的整體負載，防止單個采集點過度損耗。

Leach 協(xié)議先要選擇好中心采集點，中心點與周邊點構(gòu)成簇結(jié)構(gòu)，負責區(qū)域內(nèi)信息的主要通信。設(shè)計中心點位置時，要使一定的區(qū)域范圍內(nèi)每個點都隨機分布，并利用函數(shù)公式生成0～10 的隨機數(shù)字，將數(shù)字自動組成的三位的隨機值，并選為中心點。之后的若干次選擇，在整個語句的每個循環(huán)都去輪詢該中心點，一直到整個語句協(xié)議的結(jié)束，這樣就避免了每個點長期使用帶來的消耗。

中心點確定后，無線終端把總能量均分并傳遞信息。區(qū)域內(nèi)其他點與中心點雙向傳送信息，在生產(chǎn)情況規(guī)定時間外，采取休眠降低能耗。當信息收取完，中心點開始整合數(shù)據(jù)，并傳送給基站。因為生產(chǎn)區(qū)域大，基站設(shè)置點之間的距離可能很遠，經(jīng)過中心點的連接傳播轉(zhuǎn)送，大大減少了傳送量，這項研究將在降低耗能方面成效顯著。

5.4 Ldeec 協(xié)議

Ldeec 協(xié)議，一般先匯總各點的初始能量，但是每個點的測算會增加耗能，所以項目選擇先測算出平均余量，采用估值法測量采集點的中心位置。測量的結(jié)果僅作為參考，并根據(jù)生產(chǎn)實際情況，測算出采集點到基站的距離，用數(shù)值算法均勻地選取區(qū)域，使區(qū)域內(nèi)所有采集點都包括進來，算出每個簇的區(qū)域范圍尺寸，盡可能地減少傳輸距離。經(jīng)過實際情況測算和仿真結(jié)構(gòu)驗證，可得出采集點非常集中的結(jié)論，從而達到無線網(wǎng)絡(luò)均勻耗能。Ldeec 協(xié)議對選取中心點的優(yōu)化，保證了無線采集點的高效匯總迭代，可延長同等電量的使用時間。

6 結(jié)語

本文研究了基于能量收集的超低功耗及短距離無線通信，基于EnOcean 技術(shù)，研究了振動能量及溫差能量的收取、保存、儲存，并探討了無線網(wǎng)絡(luò)如何有效地驅(qū)動、采集、傳送信息。項目以超低耗協(xié)議設(shè)計為落腳點，對各個信息高效處理，達到定時啟停電路開關(guān)、降低能耗的效果。本文通過深入分析總結(jié)Leach 協(xié)議路由與Ldeec 協(xié)議的根本區(qū)別，應(yīng)用理論并結(jié)合實踐，以延長能量的使用儲存時間，并對信號傳輸進行算法優(yōu)化處理，對比評估各協(xié)議設(shè)計思路，根據(jù)采集點的能耗特點，通過仿真結(jié)果得出最終結(jié)論，分析出降耗的優(yōu)化方案。隨著油田未來數(shù)字化無線網(wǎng)絡(luò)的推廣完善，油田無線傳輸?shù)牡秃哪茉O(shè)計有著廣闊的應(yīng)用前景。