基于ZigBee 通信協(xié)議的油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

卓吉高，潘 嘉，張長(zhǎng)浩

（1.中國(guó)石化華東油氣分公司，江蘇南京 210036；2.中石化重慶頁(yè)巖氣有限公司，重慶 408400；3.泰州油恒油氣工程服務(wù)有限公司，江蘇泰州 225399）

ZigBee 通信協(xié)議是以IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)用基礎(chǔ)的低功耗型局域網(wǎng)協(xié)議文件，與傳統(tǒng)IEEE 協(xié)議相比，ZigBee 通信協(xié)議能夠同時(shí)處理物理層與MAC層中的數(shù)據(jù)信息傳輸指令，一方面擴(kuò)展了原有網(wǎng)關(guān)的文件聯(lián)盟形式，另一方面也對(duì)網(wǎng)絡(luò)層API 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理[1]。從功能性角度來(lái)看，ZigBee 協(xié)議具有速率低、傳輸距離短的連接優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于近距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中，由于各級(jí)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)文件的存在，同一ZigBee 通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，往往需要數(shù)千個(gè)微小傳感器元件的共同配合[2]。

隨著天然氣勘探開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的不斷擴(kuò)大、石油天然氣鉆采要求的不斷提高、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)要求的不斷更新，油氣井施工過(guò)程中的突發(fā)性要素量也在逐漸增多[3]。在此情況下，為確保相鄰油氣井之間的通信穩(wěn)定性，傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)感應(yīng)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)USB傳輸?shù)姆绞?，提升通信?shù)據(jù)之間的連通性能力，然而由于通信任務(wù)量的不斷增大，這種系統(tǒng)應(yīng)用模式已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣井?dāng)?shù)據(jù)傳輸行為的準(zhǔn)確分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用能力的有效保護(hù)。為避免上述情況的發(fā)生，引入ZigBee 通信協(xié)議，設(shè)計(jì)一種新型的油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，借助DSP 芯片等硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣井?dāng)?shù)據(jù)的幀緩沖區(qū)進(jìn)行管理，再聯(lián)合ZigBee 協(xié)議棧的總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集幀文件的接收與處理。

1 油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由采集信號(hào)放大器電路、通信濾波器、DSP 芯片三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 采集信號(hào)放大器電路

采集信號(hào)放大器電路可提供油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的傳輸電子，并可在多個(gè)電阻元件的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee 通信信息的收集與處理。一級(jí)信號(hào)放大結(jié)構(gòu)位于放大器電路上部，可調(diào)整L 級(jí)電阻設(shè)備中的傳輸電流，并可將這些電量信號(hào)轉(zhuǎn)換成全新的傳輸形式[4]。二級(jí)信號(hào)放大結(jié)構(gòu)位于放大器電路下部，能夠完整承接上級(jí)設(shè)備元件輸出的通信電子量，可借助C 級(jí)與L 級(jí)電子通路，將電量通信信息反饋至下級(jí)設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中?？偟膩?lái)說(shuō)，采集信號(hào)放大器電路具備較強(qiáng)的電信號(hào)感知能力，可在ZigBee 通信協(xié)議的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集信息的有效存儲(chǔ)。采集信號(hào)放大器電路圖如圖1 所示。

圖1 采集信號(hào)放大器電路圖

1.2 通信濾波器

通信濾波器存在油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端節(jié)點(diǎn)與輸出端節(jié)點(diǎn)之間，可按照Z(yǔ)igBee 通信協(xié)議重新安排數(shù)據(jù)信息參量的傳輸行為[5]，再通過(guò)L1′、L2′、L3′三個(gè)接口組織，重新對(duì)數(shù)據(jù)信息文件進(jìn)行編碼。通常情況下，L1′、L2′、L3′三個(gè)輸出接口分別與L1、L2、L3 三個(gè)輸入接口保持對(duì)應(yīng)性關(guān)系，隨著采集信號(hào)放大器連接狀態(tài)的開(kāi)啟，處于調(diào)度狀態(tài)的油氣井通信數(shù)據(jù)會(huì)快速進(jìn)入濾波器結(jié)構(gòu)體之中[6]。由于G 級(jí)端口組織的存在，未經(jīng)完全消耗的油氣井通信數(shù)據(jù)會(huì)快速進(jìn)入系統(tǒng)接地線(xiàn)組織之中，且隨著操作數(shù)據(jù)信息傳輸指令，通信數(shù)據(jù)文件也可得到較好處理[7]，一方面避免了通信數(shù)據(jù)傳輸堆積行為的出現(xiàn)，另一方面也可滿(mǎn)足濾波器設(shè)備三相傳輸需求[8]。通信濾波器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 通信濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.3 DSP芯片

DSP 芯片負(fù)責(zé)及時(shí)協(xié)調(diào)ZigBee 通信協(xié)議的連接能力，從而使油氣井?dāng)?shù)據(jù)的傳輸能力可在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定[9]。EITEMT 主板、R 組、C 組、S 組、L 組同時(shí)存在于DSP 芯片之中。其中，EITEMT 主板能夠準(zhǔn)確接收采集系統(tǒng)中傳輸?shù)挠蜌饩ㄐ艛?shù)據(jù)信息，并可借助R 組、C 組、S 組、L 組四類(lèi)元件設(shè)備，完善ZigBee通信環(huán)境[10]。隨著待采集油氣井通信數(shù)據(jù)量的增大，R 組、C 組、S 組、L 組四類(lèi)元件所承擔(dān)的傳輸壓力也在不斷遞增，在此情況下，DSP 芯片會(huì)面臨高強(qiáng)度的數(shù)據(jù)處理需求，但由于EITEMT 主板的存在，這種指令需求的發(fā)展水平能夠得到較好控制，并最終為油氣井通信數(shù)據(jù)提供更為廣闊的采集處理空間。

2 油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee 通信協(xié)議的支持下，按照協(xié)議棧架構(gòu)搭建、幀緩沖區(qū)管理、采集幀接收處理的操作流程，實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，結(jié)合各級(jí)硬件設(shè)備，完成基于ZigBee 通信協(xié)議油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 ZigBee協(xié)議棧的總體架構(gòu)

ZigBee 協(xié)議棧的總體架構(gòu)按照通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)由高到低的順序進(jìn)行排列，且隨著油氣井通信數(shù)據(jù)的不斷傳輸，協(xié)議參量也會(huì)保持層層遞進(jìn)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，直至將系統(tǒng)內(nèi)暫存的油氣井通信數(shù)據(jù)完全消耗至原始存在狀態(tài)[11]。ZigBee 應(yīng)用程序位于協(xié)議棧體系的最上端，具備最弱的通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)水平，在執(zhí)行采集指令的過(guò)程中，只能依靠其他節(jié)點(diǎn)對(duì)油氣井?dāng)?shù)據(jù)信息所屬類(lèi)別進(jìn)行分辨[12]。應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層組織中的通信任務(wù)優(yōu)先級(jí)水平依次遞增，即該結(jié)構(gòu)元件所接收到的油氣井通信數(shù)據(jù)量也在隨之增大。兩個(gè)抽象層結(jié)構(gòu)可以同時(shí)對(duì)油氣井通信數(shù)據(jù)的傳輸行為起到促進(jìn)作用，屬于協(xié)議棧體系中獨(dú)立的通信傳輸結(jié)構(gòu)，ZigBee 協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)議?？傮w架構(gòu)示意圖

2.2 油氣井?dāng)?shù)據(jù)的幀緩沖區(qū)管理

在ZigBee 協(xié)議棧總體架構(gòu)的支持下，油氣井?dāng)?shù)據(jù)幀緩沖區(qū)管理行為等同于對(duì)數(shù)據(jù)信息傳輸量的二次加工，由于通信濾波器、DSP 芯片等多個(gè)結(jié)構(gòu)性元件的存在，油氣井通信數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主機(jī)中大量存儲(chǔ)，且不會(huì)隨獨(dú)立采集指令的執(zhí)行而出現(xiàn)全部輸出的情況[13]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，幀緩沖區(qū)可等同于小型的通信數(shù)據(jù)疏導(dǎo)機(jī)構(gòu)，在采集系統(tǒng)內(nèi)部，ZigBee 通信協(xié)議所具備的傳輸能力越強(qiáng)，系統(tǒng)主機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)信息總量也就越大[14]，而隨著這些物理信息量的不斷堆積，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中極易出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)擁塞行為，而在幀緩沖區(qū)管理行為的作用下，這些信息參量得到了較好地疏通，不僅能夠在一定程度上促進(jìn)系統(tǒng)采集能力的增強(qiáng)，也可較好地保障ZigBee 通信協(xié)議的實(shí)際應(yīng)用能力。油氣井?dāng)?shù)據(jù)幀緩沖區(qū)管理流程圖如圖4 所示。

圖4 油氣井?dāng)?shù)據(jù)幀緩沖區(qū)管理流程圖

2.3 采集幀接收處理

采集幀接收處理是油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的末尾操作環(huán)節(jié)，在ZigBee 通信協(xié)議的作用下，該項(xiàng)執(zhí)行命令的作用結(jié)果能夠影響系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于油氣井通信數(shù)據(jù)的實(shí)際采集效率，從而幫助各級(jí)單位體系對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度狀況進(jìn)行較好地判斷[15]。在不考慮其他干擾下，采集幀接收處理結(jié)果同時(shí)受到油氣井通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)與通信時(shí)長(zhǎng)兩項(xiàng)物理量的影響[16]。一般情況下，油氣井通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)并不能單獨(dú)存在，在同一采集系統(tǒng)中，該項(xiàng)系數(shù)的存在結(jié)果量至少為兩個(gè)(W1、W2)。通信時(shí)長(zhǎng)可表示為f，由于ZigBee 通信協(xié)議屬于一種單向的信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)，因此該項(xiàng)物理量也不存在無(wú)限增大或縮小的可能。聯(lián)立上述物理量，可將采集幀接收處理結(jié)果表示為：

式中，χ代表間接性通信行為量，pˉ代表單位時(shí)間內(nèi)的油氣井通信數(shù)據(jù)傳輸均值。至此，完成相關(guān)軟硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體系的搭建，在ZigBee 通信協(xié)議的作用下，實(shí)現(xiàn)油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證基于ZigBee 通信協(xié)議油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用有效性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將待檢測(cè)油氣井置于各連接管道中部，分別將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組應(yīng)用主機(jī)置于中心油氣井兩端，其中，實(shí)驗(yàn)組主機(jī)配置基于ZigBee 通信協(xié)議的油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)配置傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)感應(yīng)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

RPS 指標(biāo)能夠反映隨著通信任務(wù)的執(zhí)行，油氣井通信數(shù)據(jù)采集指令的運(yùn)行速率變化情況，大多數(shù)情況下，前者的數(shù)值水平越高，后者的運(yùn)行速率就越快，RPS 指標(biāo)記錄具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 RPS指標(biāo)記錄結(jié)果

在表1 中，實(shí)驗(yàn)組RPS 指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到20 min 后，呈現(xiàn)出明顯不同于前20 min 的急速上升狀態(tài)，但這種上升變化的持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到40 min 時(shí)，這種上升狀態(tài)得到有效控制，但總體上升變化趨勢(shì)并未改變。兩組對(duì)照組RPS 指標(biāo)在前35 min 的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，一直保持小幅平穩(wěn)上升的變化狀態(tài)，而從第40 min 開(kāi)始，則進(jìn)入了快速下降階段，其極大值水平也遠(yuǎn)不及實(shí)驗(yàn)組。

QDI 指標(biāo)反映了油氣井設(shè)備在通信傳輸過(guò)程中的損傷可能性，在ZigBee 通信協(xié)議應(yīng)用能力不發(fā)生改變的情況下，QDI 指標(biāo)數(shù)值越大，油氣井設(shè)備在通信傳輸過(guò)程中的損傷可能性也就越大。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組QDI 指標(biāo)數(shù)值的實(shí)際變化情況。

分析表2 可知，實(shí)驗(yàn)組QDI 指標(biāo)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持不斷下降的數(shù)值變化趨勢(shì)，但從第35 min開(kāi)始，其下降幅度明顯得到有效控制。兩組對(duì)照組QDI 指標(biāo)在前30 min 的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，一直維持連續(xù)上升的變化趨勢(shì)，而從第35 min 開(kāi)始，則逐漸趨于相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)。從極限值角度來(lái)看，實(shí)驗(yàn)組最大值32.6%與兩組對(duì)照組最大值62.3%、58.4%相比，下降了29.7%和25.8%。

表2 QDI指標(biāo)記錄結(jié)果

綜上所述，RPS 指標(biāo)出現(xiàn)了明顯上升的變化趨勢(shì)，而QDI 指標(biāo)卻開(kāi)始不斷下降，不但能夠加快油氣井通信數(shù)據(jù)采集指令的運(yùn)行速率，也可避免在通信傳輸過(guò)程中，相關(guān)設(shè)備元件出現(xiàn)非必要性損傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著ZigBee 通信協(xié)議的應(yīng)用，油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)合采用信號(hào)放大器電路、通信濾波器等多個(gè)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，在管理油氣井?dāng)?shù)據(jù)幀緩沖區(qū)的同時(shí)，完成對(duì)采集幀的接收與處理。從實(shí)用性角度來(lái)看，RPS 指標(biāo)增大與QDI 指標(biāo)減小同時(shí)出現(xiàn)，能夠加快油氣井通信數(shù)據(jù)采集指令的運(yùn)行速率，同時(shí)避免損傷關(guān)鍵設(shè)備元件，這在一定程度上延長(zhǎng)了油氣井元件的實(shí)際使用壽命。

油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)還在不斷完善中，未來(lái)可以就減少油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集時(shí)間，且保證數(shù)據(jù)采集的精度上進(jìn)行更加深入的研究，為實(shí)際的油氣井?dāng)?shù)據(jù)采集工作提供借鑒。