基于無線傳感器網絡的油井監控系統

基于無線傳感器網絡的油井監控系統

劉 甜 張少軒

保定職業技術學院

基于ZigBee技術的無線傳感網絡不僅對油井監控數據具有更加持續的傳輸能力，并且維修起來也相對容易。無線傳感器網絡系統的硬件電路分為數據采集、路由節點、網關節點以及監控中心電路等，軟件主要由無線通信網絡軟件的子系統與監控中心管理軟件的子系統組成。這種無線傳感網絡技術在ZigBee協議基礎上建立，遵守GPRS網絡傳輸的中心內容，由現場采集、路由、網關三部分節點構成。傳感器采集節點的靈活與MESH網絡的穩定應用保證了油井監控的可信賴性，有助于油井作業效率的提高和網絡運行成本的降低，促進了油田生產的自動化與信息化發展。

無線傳感器網絡；油井遠程監控系統；設計思路

傳統的油井監控系統會根據不斷變化的數據，將信息通過有線電纜連接至控制中心進行數據整合處理。由于不同油田的油井工作場景和所處環境不同，特別是油井周邊的惡劣條件，即便企業投入大量成本，也難以順利進行電纜鋪設，并且靈活性基本為零；移動基站的造價與移動性也會受到地形限制，降低了油田的生產監控效率，在后期維護工作中也相對困難。隨著ZigBee技術的發展，有望改變目前的現狀，其低成本、高傳輸效率的優勢使其能夠適應各種環境的遠程數據傳輸[1]。基于ZigBee技術的無線傳感網絡不僅對油井監控數據具有更加持續的傳輸能力，并且維修起來也相對容易。無線傳感網絡是單個油井或多油井間進行信息交流和數據傳輸的最佳方式，尤其適用于我國克拉瑪依油田這樣惡劣環境的油井監控系統。

1 系統工作原理及總體架構

新型無線傳感網絡技術不再基于GPRS或CDMA進行監控數據傳送，而是以ZigBee技術為基礎構建全新的傳輸網絡。這種無線傳感網絡技術在ZigBee協議基礎上建立，遵守GPRS網絡傳輸的中心內容，由現場采集、路由、網關三部分節點構成。

抽油機井設備上的現場采集節點通常能夠自由靈活設置，主要對抽油機井工作時的電機電流、功率值、井口壓力、溫度等數據進行收集[2-3]。每個油井得到的檢測數據通過路由節點進行整理，最后通過ZigBee無線網絡以幀傳輸模式將數據傳送至網關節點處。每個路由節點需要組成動態組，網關節點起到節點的協調作用。在無線網絡中架設Mesh網絡，可以將這些路由節點互相連接起來，讓監測數據可以達到多重處理的目的。一般監控系統搜集到數據后，匯總到網關節點，再由網關節點送至GPRS網絡，經網絡編碼后，匯總到遠程控制中心。當控制中心接收到編碼后的數據，會將其由RS232接口上傳到主監控室的中心PC機上。之后PC機進行快速整理分析，對處理結果立即反饋，使現場接收到反饋信息后能做出適當的調整。這種全新的網絡系統可以提高油井監控的遠程控制效率，達到自動性、實時性目標。

2 系統硬件設計

無線傳感器網絡系統的硬件電路分為數據采集、路由節點、網關節點以及監控中心電路等[4]幾部分。

2.1 數據采集和路由節點設計

抽油機設備上放置的是數據采集節點與路由節點，這是采集油井實時數據的基礎設備，及時對上級進行進一步數據輸送。數據采集和路由節點主要由傳感器模塊、無線通信模塊、處理器模塊和供電模塊組成。

運用該模塊時要根據現場需求來選擇適合的傳感器，對各監測點分別進行檢測，通過傳感器節點的定時喚醒功能進行數據采集，并以路由節點為載體發送信息，完成之后進入休眠以節約資源。

2.2 網關節點設計

作為整體網絡的控制核心，網關節點可以根據不同需求布置在GPRS通信網絡覆蓋下的區域內，對其他節點數據進行接收和轉送，在校正、融合后進入監控中心。監控中心發出的指令同樣需要網關節點進行處理和執行。

一般此模塊的串口電路使用的是西門子GPRS模塊MC55，此設備內嵌了TCP/IP協議，設計難度較低，而微處理數據的能力卻大大提升，使執行遠程任務傳輸效率得到提高。串口電路為標準串口，可直接連接，同時在每個引腳電路上都串接一個100 Ω的電阻，讓它們的串口電平相符。JN5139模塊與MC55模塊通過引腳DIO11相連，當數據送達時會通知MCU，即數據傳輸時產生的中斷信號。作為MC55模塊的驅動裝置，IGT在實現引腳模塊功能時候需要的供電電壓要高于3.3 V，MC55模塊通電10 ms后，IGT的引腳電平應大于100 ms，隨后向高阻態轉變，GPRS模塊也隨之開始工作。

西門子的MC55模塊預留了6個SIM卡接口引腳，比GSM11.11預留引腳多加了CCIN引腳，能夠對在卡座中的SIM卡牢固程度進行檢測。并且，MC55模塊在SYNC輸出引腳中以三極管來作為發光二極管的驅動，能夠讓LED燈進行工作狀態的判定。

2.3 監控中心電路設計

監控中心電路的創新之處在于應用了標準RS232接口與電平變換芯片MAX3238C。標準RS232接口有效連接了MC55模塊與數據中心PC機，為監控中心的PC機上傳數據；MC55模塊的串口邏輯電壓是+2.65 V，相符于PC串口電平，轉換時使用電平變換芯片MAX 3238 C可以起到轉換電壓的作用。

3 系統軟件設計

監控系統的軟件主要由無線通信網絡軟件的子系統和監控中心管理軟件的子系統組成[5]。

3.1 無線通信網絡軟件

無線通信網絡的軟件子系統可以對監測數據進行有效收集和整理，同時需要通過ZigBee和TCP/ IP協議進行轉換，從而使數據實現完整的遠程傳輸。一般系統使用的是Jennie公司編寫的Code-Bloeks軟件。

首先，在硬件設備中供電，完成交流電向直流電之間的轉換（交流電的交變模式通常以正弦或余弦進行），在完成直流電交變后，整流器即完成傳輸電流信號的交變流程。接著，ZigBee模塊進行初始化過程，完成設備運行時開機流程，其中包括軟件平臺程序的運行，語言中樞代碼的傳輸以及數據處理后臺操作系統的運行。

值得注意的是，硬件上電要先經過初始化Zig-Bee模塊，在協調器的網絡標識中選PANID來作為協調器的網絡標識，由此建立路由表和ZigBee網絡，將其他節點加入其中。完成ZigBee模塊初始化后啟動GPRS模塊，使用AT指令發送數據，并規定一個串口通信速率，同時建立Socket連接，做好數據通信的準備。在GPRS模塊初始化后，進行監聽網絡的接入，外面的事件會出現發送中斷現象，系統可以通過判斷響應的類型，進行下一步數據轉發行為。

3.2 監控中心管理軟件

監控中心軟件執行工作是接收與發送基于TCP協議的IP數據包，目的為了在GPRS終端實現IP協議的信息流通。軟件方面需要Visual C++6.0內置的Casyncsocket字庫支持，以便對IP地址和PC機等名進行由繁至簡的轉換，使操作能夠更加順暢地進行，實現Socket編程通信的目標。另外，此字庫軟件需要控件MSComm的支持，將串行通信變為現實。所有的數據在采集成功后可用Access 2000軟件進行存儲，方便對抽油機的日常運行分析工作與用戶數據搜索。

4 結語

基于ZigBee協議的無線網絡對油井監控系統具有跨時代的意義，抽油機中數據監控采集與GPRS網絡的遠程數據傳輸相結合，使遠程無線監控和傳輸進入到了全新的時代，這是一個里程碑式的技術改革。傳感器采集節點的靈活與MESH網絡的穩定應用保證了油井監控的可信賴性，有助于油井作業效率的提高和網絡運行成本的降低，促進了油田生產的自動化與信息化發展。另外，無線傳感器網絡技術在智能家居、水文檢測、環境衛生等領域也具有較大的應用空間，因此值得在未來進行更大范圍的推廣。

[1]盧瑞祥，牟軒沁，紀震，等．新型智能油井監控系統[J]．石油儀器，1997，11（6）：15-17.

[2]劉林．基于無線傳感器網路的油井監測系統組網的研究與實現[D]．濟南：山東大學碩士學位論文，2008.

[3]L．C．Zhong，J．Rabaey，C．L．Guo，et a1．Data 1 ink layer des infor wireless sensor networks． Communications for Network-Centric Operations，Creating the Information Force[J]．2001，13（7）：32-35.

[4]任豐原，黃海寧，林闖．無線傳感器網絡[J]．軟件學報，2003，14（7）：12-13.

[5]張乃祿，姚萱萱，李選鋒，等．基于無線網絡的遠程注水監控系統[J]．油氣田地面工程，2011，30（12）：61-63.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.042