ZigBee無線傳感器網絡技術在油田信息采集系統中的應用

劉 佶，徐 群

（河海大學 江蘇 南京 211100）

隨著“數字油田”建設的不斷推進，油田信息化建設得到了很大發展。各種生產信息系統的建立極大地方便了技術人員的日常工作，提高了安全生產的效率。數據自動化采集、信息處理將是建設“數字油田”乃至“智能油田”的必然趨勢[1]近些年，各種無線傳感器網絡和無線傳輸技術發展日趨成熟，為油田信息系統建設提供了又一種行之有效的技術手段。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）技術是利用布置在無人值守的監控區域內具有通信和運算能力的傳感器節點，自主完成對檢測對象的信息采集、感知等指定任務的技術[2]。無線傳感器網絡是集傳感器技術、通信技術、嵌入式計算和分布式處理技術為一體，特別適合于油田點多面廣的應用場合。

1 系統網絡結構

以油田A為例，需為生產設備相對集中的“井群”設計無線傳輸方案。如圖1，湖灘分布著69口油井（淺黃色標記）和21口注水井（深綠色標記）。

針對現場需求和ZigBee無線傳感器網絡技術，考慮將溫壓儀、示功儀、雙壓儀節點作為“終端（End Device）”，負責采集信息以監控油田生產設備，用電池供電；中轉節點作為“路由（Router）”轉發網絡中的信息；“協調器（Co-ordinator）”則安裝在各區塊的平臺上，并通過終端機與隊部中控室通信。路由和協調器均由市電供電。這樣就將5個油井區塊劃分為5個協調器短地址不同的ZigBee網絡。主站（協調器）負責啟動網絡，所有終端通過路由接入網絡，組成樹狀或網狀結構。上位機通過主站及其網絡便可實現命令的下發和數據的讀取[3]。

通過Google Earth和現場測量，一般油井之間的距離在50米至100米。經測試，ZigBee節點間較大數據量（功圖數據，約為1KB）的最大穩定通信距離在50米左右，距離越遠傳輸效果越差，且通信時節點傳輸信道之間須盡可能無遮擋。因此可靠傳輸的關鍵在于“路由”型節點的合理布置。同時需解決兩個問題： 一是因現場比較空曠，要保證 “路由”型節點的安裝位置能提供可靠供電并滿足防汛要求；二是在軟件設計上，經過“路由”型節點透明傳輸的數據一旦丟失，則無法通過協議棧捕獲，而必須在數據接收端由上位機來判斷。

基于上述考慮，溫壓儀、示功儀、雙壓儀作為“終端”節點，中轉節點由原來的“路由”節點改為“協調器”，并與電量儀一起安裝在油井平臺的電機控制柜中。即每個油井平臺使用（或多個共用）一個中轉節點，每個中轉節點即代表一個獨立的個人局域網（PAN），其附近的終端型節點為其子節點。中轉節點又作為網關，以433 MHz無線方式與主站（433 MHz數傳模塊）進行通信，當然5個區塊的433 MHz頻道各不相同，每個區塊作為一個獨立的網絡，各網絡間互不干擾[4]。

基于Zigbee無線傳感器網絡的智能油田信息采集系統網絡結構如圖2所示。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器（終端）節點

圖1 油田A油水井分布圖Fig. 1 Distribution diagram of the oil wells in A oil field

圖2 系統網絡結構示意圖Fig. 2 Structure diagram of the system network

綜合節點設計的各種需求，選擇Jennic的JN5139模塊作為節點的主控芯片，它是一款適用于IEEE802.15.4和ZigBee應用環境的低功耗、低成本微控制器，集成了32位RISC處理器（32MIPS）、2.4 GHz IEEE802.15.4無線收發器、192 kB ROM、96kB RAM以及豐富的模擬數字外圍接口[5]。節點硬件結構如圖3所示。

圖3 傳感器節點硬件結構圖Fig. 3 Structure diagram of the sensor nodes hardware system

傳感器模塊包括傳感器和信號調制電路，示功儀傳感器為加速度ADXL202和載荷CL-YB-10M/15t，溫壓儀包括溫度PT100和壓力Honeywell C13L型傳感器，雙壓儀的壓力傳感器同樣選擇Honeywell C13系列。“示功儀采集的載荷”（或壓力）、“溫壓儀采集的溫度和壓力”以及“雙壓儀需要采集的壓力”對應的四種傳感器的原理基本相同，基本電路都是帶有特殊（熱敏或壓敏）電阻的電阻橋，由物理量變化引發電阻變化，導致電路輸出電壓的變化，輸出電壓視傳感器從幾毫伏到上百毫伏不等。JN5139芯片帶有4路12位ADC通道，對應的模擬電壓值范圍為0～2.4 V。傳感器到芯片ADC引腳之間用運算放大器對電壓信號進行放大，合理調節放大倍數，使得運放輸出的電壓在2.2 V左右，即留有一定裕量[6]。時鐘模塊選用DS1302芯片，根據其時間值，程序發起采集和記錄數據。電源模塊也視節點而不同——終端節點包括4 000 mAh鋰電池、太陽能板及其充電電路。

2.2 中轉節點

中轉節點配有與傳感器節點相同的主控芯片，具有IEEE802.15.4協議規定的所有功能與特性，負責建立網絡、管理傳感器節點、儲存傳感器節點信息，為消息進行路由選擇等功能。另外增加無線串口通信模塊與管理控制中心進行通信，中轉節點硬件結構如圖4所示。

圖4 中轉節點硬件結構圖Fig. 4 Structure diagram of the relay nodes hardware system

中轉節點通過電量儀設備讀取電機的電參量，由AC220V供電，433 MHz串口透傳模塊使用SM55D無線串口通信模塊。與電量儀采用RS485接口進行數據通信。JN5139模塊有兩路UART接口，故將中轉節點JN5139模塊的UART1通過UART-RS485接口芯片與電量儀RS485接口相連。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括傳感器節點軟件設計、中轉節點軟件設計和管理控制中心軟件設計3部分。傳感器節點主要實現數據的采集和發送；中轉節點一方面負責網絡的配置和管理，另一方面收集各個傳感器節點發送的數據，將數據處理后轉發給管理控制中心。管理控制中心主要實現數據的儲存、實時顯示及數據分析與管理等功能。

3.1 傳感器節點軟件

傳感器節點程序的主要任務分為“采集數據”和“網絡響應”，前者是按照給定的時間間隔定時采樣，后者則包括“無線數據協議命令響應”和“ZigBee網絡協議棧事件處理”（包括入網、掉網等），采用中斷處理方式?？紤]片上系統（SOC）的單任務特性，可以將節點程序設計成“任務檢查制”——每次從休眠中醒來，初始化后，判斷是否要進行網絡響應，或根據時鐘時間判斷是否有采集任務，若空閑則進入休眠，休眠一定時間間隔后再次被喚醒，如此反復。

為了能采用使節點功耗更低的無內存駐留的休眠方式，因此將一些重要的參量保存在flash中，并在初始化中重新加載。終端節點的軟件框架流程圖如圖5所示。

圖5 傳感器節點程序流程圖Fig. 5 Flow chart of the sensor nodes software system

圖6 中轉節點程序流程圖Fig. 6 Flow chart of the relay nodes software system

3.2 中轉節點軟件設計

中轉節點的任務相對簡單，只需處理觸發的協議棧事件、接收和處理“網絡消息”。“網絡消息”分為來自串口透明傳輸設備的一級網絡命令和來自二級ZigBee網絡的消息。電量儀的處理包含在“命令解析與轉發”環節中。中轉節點沒有休眠，是不間斷工作的，其軟件設計流程圖如圖6所示。

中轉通過433 MHz串口透明傳輸模塊“SM55D”接收來自上位機的命令，“SM55D”會將接收的字符提供給 JN5139模塊的串口（UART）0，可利用串口0的中斷處理解析節點命令。

串口0設置為每接收一個字符便進行中斷，在中斷處理中將字符添加至緩沖區，待緩沖區中的字符達到解析長度的下限值時，根據命令中的節點號和功能碼查表獲得對應命令的指定長度S（包括CRC校驗碼）；若字符總數N等于S，根據“網絡號”進行判斷，若非本PAN節點的命令，則不作任何處理，立即返回；否則進行CRC校驗，對于校驗通過的命令，查找表格對子節點進行地址映射，再進行下一步操作。中斷處理流程圖如圖7：

圖7 中轉節點命令解析流程Fig. 7 Command parsing flow chart of the relay nodes

從圖7中可以看到“CRC16校驗失敗”、“子節點未注冊”、“命令下發失敗”三種特殊情況（若下發設置命令成功后，也會有特殊返回信息ACK0）發生后，中轉均通過發送特殊ACK信息對上位機進行反饋，便于設備的調試。對于ZigBee子節點設備，命令是否下發成功，中轉節點可通過ZigBee協議事件獲?。粚τ陔娏績x設備，根據其數據傳輸協議，所有命令都應有數據返回，可在命令下發的同時，啟動定時器，若規定時間內無正確數據返回，則認為命令下發失敗。

3.3 管理控制中心軟件設計

上位機只需按照節點的數據傳輸協議向串口寫入字符，即可實現命令發送。節點的網絡號和節點號，可從數據庫中相應的配置表讀出。上位機程序利用時鐘驅動，對每個通信區塊的節點輪流下發命令并解析數據，每30分鐘進行一次。

在對子節點下發命令后，即偵聽對應串口，解析其433MHz模塊接收到的字符，根據起始/終止符“0x7E”提取數據，找到數據中字符“0x7D”并拋除，并對其后的字符進行轉義，即再與“0x20”按位異或。對得到的數據包進行CRC16校驗，校驗通過后的數據按節點類型進行數據解析和相應操作。操作流程圖如圖8所示。

圖8 上位機串口解析Fig. 8 The analysis of serial port for upper computer

3 結束語

通過傳感器節點、中轉節點組建的無線傳感器網絡，實現了油田生產信息的采集、傳輸與處理。適應了油田點多面廣的應用需求，同時也降低了組網、部署和維護成本。作為油田生產信息系統數據獲取的一種有效技術手段，無線傳感器網絡具有很好的應用前景。

[1] 陳新發,曾穎,李清輝.數字油田建設與實踐.新疆油田信息化建設[M].北京:石油工業出版社,2008.

[2] 童利標,漆德寧.無線傳感器網路與信息融合 [M].合肥:安徽人民出版社,2008.

[3] 蔡蘇華. 基于ARM的養殖水質監測系統的設計與研究[D].南京:南京師范大學,2012:12-17.

[4] 華夏盛科技有限公司.關于數傳電臺的介紹[EB/OL].http://www.sinosun.cn.

[5] NXP.JN-DS-JN513x-1v4 [Z]. NXP,2008.

[6] 彭健,徐志強,周志權.基于傳感器技術的有桿抽油井示功儀的研究[J].傳感器技術學報,2012,25(12):1701-1705.PENG Jian, XU Zhi-qiang,ZHOU Zhi-quan. Design of dynamometer based on sensor technology[J].Chinese Journal of Sensors And Acuators, 2012,25(12):1701-1705.