油田物聯網數據傳輸方式選擇及其技術實現

梁寶娟，巨永鋒

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

在油田物聯網應用中，常常利用放置于油井周邊的大量傳感器節點，對油井采油信息進行協作化的信息感知和采集。傳感器節點以有線或無線方式將現場信息傳輸到作為網絡數據中心的基站，由基站進行數據分析和處理，以得到準確的決策信息，并最終驅動特定的執行機構作業，從而實現對油田的精確化和智能化測控。將諸多參數傳送到油田監控中心，需要構建一個效率高、響應快、費用低的數據傳輸網絡[1]。

文中對油田物聯網各種數據傳輸方式進行了研究，并針對油田實際需求及現場特點，提出基于無線傳感器網絡理念的油田數據傳輸網絡構建方案。

圖1 單層設計的網絡結構Fig．1 Single layer network structure

1 網絡結構

1.1 單層網絡結構

在現有的自動化油田數據采集傳輸方案中，為一臺油井設備通過有線或無線方式接載多路傳感器，經過中心節點進行數據采集，收集各路數據之后，通過有線或無線的方式傳送至數據中心，如圖1所示。這種網絡結構要求每臺抽油機或其他設備，均通過有線或無線方式與數據中心連接。這種網絡結構的優點是：結構簡單，傳輸可靠，抗干擾能力強。一個設備的損壞或者線路故障時，不會影響其它油井正常使用，不會造成整個系統崩潰，系統的安全可靠性比較高。缺點是：單個油井設備造價較高，不經濟。

1.2 兩層網絡結構

另外一種方案是將油田數據采集網絡結構分為兩個層次，如圖2所示。每個工作小區現場布設普通節點和小區中心節點，小區中心為整個小區傳感網絡的中心，收集數據或轉達命令，其通過現有的網絡和架設在機房的服務器聯系。小區中心節點功能等同原有單層結構中的中心節點。雖然增加了普通節點，但是由于一個井場的若干口井只需要一個小區中心節點，普通節點造價又非常低廉，所以在傳輸方式選擇合理的情況下，還可以在不影響傳輸質量的同時節省建設及運行成本。

2 小區內數據傳輸方式選擇

2.1 傳感器與節點之間

2.1.1 有線方式

傳感器與節點之間的有線數據傳輸方式，當前比較常用的是 HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經過10多年的發展，HART技術在國外已經十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業標準。

HART協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4～20mA模擬信號上疊加幅度為0．5mA的音頻數字信號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1．2 Mbps。HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快發展。HART能利用總線供電，可滿足本質安全防爆要求。市面上的有線變送器基本都采用這種通信協議[2-5]。

2.1.2 無線方式

傳感器與節點之間若采用無線數據傳輸方式，比較常用的是433MHz和Zigbee無線技術，它們都屬于近距離無線通訊技術，并且都使用ISM免執照頻段，但它們各具特點。

433 MHz技術使用433 MHz無線頻段，因此相比于Zigbee，433 MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。但其缺點也是很明顯的，就是其數據傳輸速率只有9 600 bps，遠遠小于Zigbee的數據速率，因此433 MHz技術一般只適用于數據傳輸量較少的應用場合。另外，433MHz技術只支持星型網絡的拓撲結構，通過多基站的方式實現網絡覆蓋空間的擴展，因此將涉及到終端在多基站之間漫游的問題[6]。

自從無線傳感器網絡概念提出以來，許多的芯片公司如TI、Freesacle和Atmel等都以極大的熱情投入其中，大量的低功耗的RF芯片因此得以面世。許多針對此種網絡的協議也紛紛提出，其中Zigbee聯盟提出的Zigbee協議是目前影響最深遠的，也是目前最為成熟的一種協議。

Zigbee的特點是低功耗、高可靠性、強抗干擾性，布網容易，通過無線中繼器可以非常方便地將網絡覆蓋范圍擴展至數十倍，因此從小空間到大空間、從簡單空間環境到復雜空間環境的場合都可以使用。但Zigbee是定位于低傳輸速率的應用，因此Zigbee顯然不適合于高速上網、大文件下載等場合。對于油田傳感器數據傳輸應用，由于其數據傳輸量一般來說都不是很大，因此Zigbee技術是非常適合該應用的。

2.2 普通節點與小區中心節點數據傳輸方式選擇

普通節點與小區中心節點數據傳輸無線方式與上述無線傳感器方案一樣，Zigbee是比較好的選擇。而有線方式則可在幾種流行的通訊方式如里選擇。

目前廣泛使用的串行通訊接口為RS-232C。但RS-232C在分布式監控系統中作為多機通訊使用有以下幾點不足：1）數據傳輸率局限于20 kbit/s，傳輸距離局限于15m。2）不能避免共模信號在通訊中的干擾。

3）只適用于點對點的通訊，無法用最少的信號線實現多點對多點的通訊。

RS-422（全雙工）和RS-485（半雙工）串行接口總線正是為了克服上述缺點而設計的標準接口。RS-422需要兩對平衡差分信號線，而RS-485只需其中一對，對于多機連接更為便利，因此，選用了RS-485作為聯網的通訊是最佳選擇方案。

485總線是一種用于設備聯網的、經濟型的、傳統的工業總線方式。主要特點如下：

1）RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps。

2）RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。

3）RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4 000英尺，實際上可達 3 000m，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。 因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網絡 ，一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。

3 實現Internet接入的方法

由圖1可知，除具有與現場設備通信的能力外，基站還具有通過GPRS網絡接入Internet的能力。針對傳感節點的資源現狀和WSN的應用領域，雖然國內外存在眾多不同的網絡組織管理方案以及路由算法 ，但基站普遍被作為數據中心和控制中心。在確定了網絡的組織方式和路由算法之后，網絡運作的成功很大程度上依賴于具有豐富的能量、存儲和計算能力等資源的基站。位于油田的基站往往不具備鋪設線路，而直接接入Internet網絡的條件，其他短距離無線通信技術（如藍牙、紅外、802．1lb無線上網技術等）也不適用于接入條件受限的無線傳感網絡 。目前，中國移動和中國聯通推行的GPRS網絡已廣泛覆蓋了我國大部分城鄉地區，數據傳輸帶寬可達40 kbps以上，使得通過移動通信網絡實現數據傳輸成為可能。GPRS（通用分組無線傳輸業務）是在現有GSM網絡基礎上增加了2個服務節點，即SGSN（GPRS業務支持節點）和GGSN（GPRS網關支持節點），可提供端到端的廣域無線IP連接。GPR網絡具有覆蓋范圍廣、傳輸速率高、實時在線、穩定可靠和成本低等特點，因此在基站上采用GPRS技術接入Internet網絡是實現油田數據遠程測控的一個靈活可靠和實用便捷的解決方案。Internet接入方式如圖3所示。

圖3 Internet接入方式Fig．3 Insertion modes of Internet

綜上所述，針對油田實際需求及現場特點，提出基于無線傳感器網絡的油田數據傳輸網絡，其基本結構由2個層次網絡構建而成，如圖2所示，第1層網絡是：一個采油井區范圍內，構建一個本地的無線傳輸網絡，所有的數據匯總至井區的中心，采用Zigbee通訊；第2層網絡是：各井區的中心，通過GPRS或CDMA方式再傳送至整個油田的數據中心。

采用這種無線兩級網絡方式，將具有以下優勢：

1）減少有線布設，降低線纜及其施工費用，也降低了現場設備安裝的復雜度，杜絕設備運行時線纜損壞而帶來設備故障概率；

2）減少了GPRS或CDMA通信節點數目，將有效降低設備運營產生的通信費用；

3）無線自組織尋址。自組織性大大地提高了數據的傳輸能力，并且在一個多口油井的叢式井臺上，只需要安裝一套遠程終端控制系統，降低了設備費用和安裝成本。

4 網絡節點的硬件設計

4.1 節點硬件結構

小區中心結構如圖4所示，與普通節點間差別是沒有安裝GPRS（CDMA）模塊，即小區中心節點同時也具有完備的普通節點的采集數據和動作控制能力。除此之外，他們的太陽能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。

圖4 小區中心節點功能結構Fig．4 Functional structure of district center node

4.2 RF設計

文中小區中心節點采用Zigbee協議處理器CC2430，CC2430是TI公司最新推出的符合ISM頻段的2．4 G IEEE 802．15．4標準的射頻收發器。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 kbit/s可實現多點對多點的快速組網。 CC2430 工作頻帶范圍：2．400～2．483 5 GHz， 采用 OQPSK 調制方式，超低電流消耗（RX：19．7mA，TX：17．4mA），高接收靈敏度（-99 dBm）；IEEE802．15．4 MAC 層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16 bit CRC校驗、電源檢測、完全自動 MAC 層安全保護（CTR，CBC-MAC，CCM）；CC2430只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。

CC2430為IEEE802．15．4的數據幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式 為頭幀+數據幀+校驗幀；PHY層的幀格式為，同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。可以采用16位CRC校驗來 提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節的緩存區進行相應的幀打包和拆包操作。

5 結 論

目前，該系統的實驗已經在基于ARM9搭建的基站系統上實現，兩個網絡數據信息可以根據數據傳輸協議的轉換方法順利實現透明傳輸。在移動通信的GPRS平臺上，實現油田WSN系統與Internet的無縫接入，隨著WSN技術的不斷成熟，該技術在油田遠物聯網領域中將具有良好的應用前景。

[1]高志亮．數字油田及長安大學數字油田研究所介紹[EB/OL]．（2005-10-04）[2010-08-12]．http：//www．doicu．com

[2]Yick J， Mukherjee B， Ghosal D．Wireless sensor network survey[J]．Computer Networks，2008，52（12） ：2292-2330．

[3]王東，張金榮，魏延，等．利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J]．重慶大學學報：自然科學版，2006，8（8）：95-97．

WANG Dong，ZHANG Jin-rong，WEI Yan，et al．Building wireless sensor networks （WSNs） by ZigBee technology[J]．Journal of Chongqing University：Natural Science Edition，2006，8（8）：95-97．

[4]Lafeey D，Buckley J，O’flynn B．The development of dnvironmentally tested antennas for wireless sensor networks[C]//Proceedings of the 4th Workshop on Embedded Networked Sensors（EmNets’07），2007：73-77．

[5]孫利民，李建中，陳渝，等．無線傳感器網絡[M]．北京：清華大學出版社，2005．

[6]魏守包，唐慧強．基于嵌入式ARM-uClinux的ZigBee網絡設計[J]．儀表技術與傳感器，2009（1）：62-64．

WEIShou-bao，TANG Hui-qiang．Design of ZigBee network based on embedded ARM-uClinux[J]．Instrument Technique and Sensor，2009（1）：62-64．