基于ZigBee的油井無線數據采集系統的設計

李中豪

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098）

據了解，一個油田的生產組織結構非常復雜，一個油田的采油場由多口油井以及其他分散設施組成。鑒于油井數量眾多，而且分布的范圍也由幾十平方公里擴展到上百平方公里，交通條件往往十分惡劣，而且自然環境也十分惡劣，晝夜溫差極大，直接導致對井口數據采集以及對現場監測的工作難度增加[1]。后來隨著技術的發展，出現了應用GPRS，GSM，藍牙（Bluetooth）技術來采集這些數據的方法，但是經過一些油田的使用發現也存在一些問題。例如這些設備造價昂貴，維護和運營費用高。針對此種情況，本文采用了ZigBee技術來設計了一個無線傳感器網絡系統[2]來實現油田數據的采集以及監控管理。

1 網絡系統架構、通信協議和節點布置

油井無線數據采集的網絡架構圖[3]如圖1所示。

1.1 網絡系統架構

1）單個油井的無線傳感器網絡 這一小的無線網絡主要由布置在油井各位置的無線傳感器組成，主要采集油井的脈沖、載荷、出油口的溫度和壓力。無線傳感器由相應的傳感器結合ZigBee模塊開發，無線通訊距離小于100 m，傳感器和油井的數據采集控制器之間互相組成了ZigBee網絡[3]。全部的數據最終集中到數據采集器中進行處理和計算，然后數據將通過另一無線網絡上傳。

2）油井間的無線網絡 這一網絡由油井間的數據集中控制器組成，數據集中控制器在系統中充當了網關的功能，將單個油井的數據進行整理后再通過油井間的無線網絡上傳到監控中心。數據集中控制器采用短距離的無線模塊（通訊距離小于100m）結合大功率無線模塊（通訊距離小于1000m）開發，實現了傳感器數據的跨網段傳輸。

3）監控中心監控中心采用相應的PC服務器和數據庫系統對數據進行分析和存儲，管理人員可以隨時了解各油井的工作情況和產量。

1.2 通信協議

IEEE 802.15.4規定ZigBee協議的幀結構由數據模式、目標地址、數據長度、數據信息與校驗和5部分構成，其格式如圖2所示[3]。

“數據模式”、“目的地址”、“數據長度”各占用一個字節。其中，“目的地址”表示此幀要發送的目的位置，即網絡節點號；“數據長度”表示該幀中數據信息的長度；“數據信息”表示要傳送的命令或有效數據，它所占用的字節數由所發送的數據長度決定；“校驗和”也占用一個字節。

油田數據采集系統的通信協議結構是建立在IEEE 802.15.4規定的ZigBee協議的基礎之上的，僅對其中的“數據信息”字段部分進行設計。將“數據信息”字段劃分為“節點信息”、“功能編碼”、“數據”3 部分，如圖 3 所示。

“節點信息”字段數據長度為1字節，其是低4位為RFD節點號，高4位為FFD節點號。根據高4位將數據幀發送到對應的RFD，即對應的現場采集點。

1.3 節點布置

在無線傳感器網絡中，通過飛機布撒或者人工布置等方式[4]，可以將大量的節點放在被測對象的內部或者附近。這些節點采用自組織的方式構成無線網絡，之間相互協作，實時地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的信息，并通過多跳中繼方式將數據傳給匯聚節點，最后由匯聚節點將整個區域內的信息傳送到遠程控制管理中心。反之，遠程管理中心也可以對網絡節點進行實時操控。

2 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術[4]，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數據可以進入計算機，用于分析或者被另外一種無線技術收集。使用世界最新射頻技術和集成技術來生產迄今為止真正的低成本、低功耗、袖珍體積（名片大小）、高可靠性的擴頻無線數傳電臺；使用世界最新的無線互聯網絡技術，來實現所有數傳電臺之間不需中繼站的互聯網式通信。

3 傳感器節點設計

在無線傳感器節點各單元中，核心單元為處理器單元及射頻單元。處理器單元決定節點的數據處理能力，路由算法的運行速度以及無線傳感器網絡形式的復雜程度，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節點的整體能耗和節點的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響無線通信使用的頻段、節點間數據通信的收發速率以及節點的通信距離等。

本系統選用目前較為廣泛的JENNIC公司的JN5139作為主控芯片，以此設計出網絡中的協調器與終端節點。

JN5139是低功耗低成本適合于IEEE 802.15.4和ZigBee應用的無線微控制器[5]。在單芯片內集成了用于無線傳感器網絡的收發器和微控制器；成本敏感的ROM/RAM架構，滿足了批量應用的需要；元件數量少和成本低，從而實現了低系統BOM；硬件MAC可以保證實現低功耗和低處理器開銷；大量用戶外設；與JN5121引腳兼容，從而輕松實現了移植。它的內部結構圖如圖4所示。

數據采集節點硬件一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。JN5139將處理器模塊和無線通信模塊整合在一起，所以只需要將傳感器模塊與電源模塊與之相連即可，如圖5所示。

鑒于無線傳感器節點是在戶外工作[6]，更換電池不太容易，且減小節點體積，所以采用可充電鋰離子鈕扣電池供電。一些傳感器電路的工作電流較強，因此應該采用突發式工作的方式，即在需要采集數據時才打開傳感電路工作，從而降低能耗。由于一般的傳感器都不具備休眠模式，因此最方便的辦法是控制傳感器的電源開關，實現對傳感器的狀態控制。對于僅需要小電池驅動的傳感器，可以考慮直接采用MCU的I/O端口作為供電電源，這種控制方式簡單而靈活；對于需要大電流驅動的傳感器，宜采用漏電流較小的開關場效應管控制傳感器的供電。

4 軟件設計

整個無線通信程序包括系統初始化、數據發送和接收3個部分[6-7]。發射過程由軟件寫數據到TX/RX幀緩存器，這些數據和某些參數例如目的地地址和容許重測次數一起被傳送，對協議定時器進行編程來標明發送數據幀時刻。這個時刻由被跟蹤協議高層的軟件所決定，一旦信息包被準備好和協議定時設定好，管控方將控制其傳輸。當信息按照預定時刻到達，管控方控制無線電和調制解調器時序來執行需求傳輸類型。它可以按照IEEE 802.15.4標準要求在沒有處理器介入（包括要求重新測試和隨機backoffs）執行全部的工作步驟。

當傳輸開始時，數據幀標頭是根據軟件編排的參數而創立，通過將數據串行化到調制解調器發射出去。同時無線電準備傳輸，在從bitstream到調制解調器的通道中，它經過一個CRC（循環冗余碼校驗）通過在運行時進行校驗計算的校驗產生器，把它加到數據幀的末尾。

如利用跟蹤訪問，在傳輸時定位跟蹤有可能超過定時，基本頻帶處理器會自發地處理這種情況并通過中斷方式來通知協議軟件，這顯然比當超時時再要求處理更好一點。

接收時，無線電接收裝置在一個特別頻道來接收。一收到來自調制解調器的數據，數據幀被直接轉換成TX/RX幀放在緩沖器內，在那里幀首和數據可以被協議軟件閱讀出來。一收到幀標題可能會產生一個中斷。正如數據幀來源于經過校驗發生器的調制解調器，在接收端末端的校驗結果同整個信息末端相比較，來確定最后接收的數據是正確的。

接收過程中，Modem要確認接收連接質量，確保接收最后結果可利用的，讓它符合802.15.4標準要求。終端節點以及網絡協調器的軟件流程圖如圖6所示。

5 網絡節點性能測試

測試時讓兩個節點互發數據，且兩節點間無任何障礙物，測試節點接收靈敏度。這里還需要考慮通信時延的問題，時延包括協議棧時延和空中傳播的時延，空中傳播時延可以忽略不計，因此主要考慮協議棧時延。協議棧時延從發送消息函數開始到無線目標實際開始物理發射為止。由于條件有限，無法做出實際的結果。但是一般的情況下，協議棧發射時延約為 550μs，接收時延約為 600μs。

6 結論

本文利用Zigbee無線組網技術設計一套油田井口無線數據采集系統，成功地解決了油田井口數據采集困難的問題，實現了油田生產管理和油井、管線維護監控的信息化、自動化，極大地提高了工作效率，降低網絡組建和運行的成本。

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