井場參數無線自動采集系統

呼倫貝爾學院物理與電子信息學院

井場參數無線自動采集系統

麗娜呼倫貝爾學院物理與電子信息學院

在了解RFID技術的基礎上，構建基于RFID的井場參數無線自動采集系統模型，同時設計無線傳感器網絡中的硬件電路、傳感器接口電路，實現與控制器之間的連接，監測井場數據信息，最后利用C#編程系統監控軟件，實現井場參數采集系統的可視化管理。在搭建軟、硬件實驗平臺的基礎上，進行井場參數無線自動采集系統的調試和綜合測試。通過調試和測試可知，此系統運行良好，實現了所要求的設計功能以及數據的采集和傳輸，并將結果顯示在人機界面上。

RFID；無線傳感器；通信協議；井場

目前井場數據傳輸存在的問題包括數據傳輸速率低、有線數據傳輸費用高和缺乏終端數據控制系統。無線通信技術迅猛發展，成本低、可靠性高、數據傳輸速度快，可達到有限網絡數據傳輸的標準。目前，短距離無線通信技術比較發達，例如藍牙、Zigbee和UWB技術，特別是RFID技術的發展，有效地解決了有線數據采集與傳輸的弊端，為無線網絡數據采集提供便利。利用基于無線射頻技術的無線傳感器網絡實現井場數據的實時采集與傳輸，可解決有線數據傳輸的問題，為井場數據管理提供了便利。

1 無線傳感器網絡設計

射頻識別技術（RFID）是20世紀80年代發展起來的一種新興自動識別技術，是一項利用射頻信號，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[1]。RFID技術可快速掃描，體積小型化、形狀多樣化、抗污染能力強、可重復使用，數據的記憶容量大。RFID是一項易于操控，簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應用技術。射頻識別系統與其他識別系統相比，讀取方便快捷，識別速度快，數據容量大，使用壽命長且應用范圍廣，擁有更好的安全性和動態實時通信的優勢。

在大范圍應用有線網絡的基礎上，以組網靈活和搭建方便著稱的無線傳感器網絡技術[2]數據傳輸方向性強，網絡可靠且應用多樣化?；赗FID技術的無線傳感器網絡可實現一定范圍的數據采集和傳輸，擁有高移動性、擴展能力強、組網速度快、成本低，受自然環境和地形影響小的優點。

基于RFID技術的井場參數無線自動采集系統選用星型的網絡拓撲結構，網絡結構可變，數據處理復雜，需要優選擁有容錯能力和維護路徑功能的網絡通信協議，進行MAC層協議的設計。MAC層協議[3]的選擇直接影響無線傳感器網絡的性能指標，在設計MAC層協議時需要解決隱藏暴露終端、公平接入、QOS保障和功率控制的問題，進行避免沖突、差錯控制算法和通道接入方式的設計。在了解層次式分簇路由協議的基礎上，優選LEACH協議，但是LEACH協議存在能量消耗均衡化的弊端，在考慮能量消耗和傳輸效率基礎上，改進LEACH協議以滿足設計的要求。

在了解RFID技術的基礎上，構建基于RFID的井場參數無線自動采集系統模型，同時設計無線傳感器網絡中的硬件電路、傳感器接口電路，實現與控制器之間的連接，監測井場數據信息，最后利用C#編程系統監控軟件，實現井場參數采集系統的可視化管理。在硬件系統的設計過程中優選STC12LE5616AD微處理器，具有A/D轉換和低功耗的功能。無線射頻芯片是硬件設計中的關鍵部分，影響系統的開發成本和數據傳輸的準確度等指標，要具有兼容性強、低功耗和接口簡單的優點。

nRF905無線射頻收發一體芯片符合設計要求，所以選用nRF905實現數據信息的傳輸。nRF905接口模式主要有狀態輸出接口、SPI接口和模式控制接口三種。系統軟件的主要功能是在人機界面上實現中心節點數據的采集和處理，利用C#語言編寫軟件，在界面上呈現所采集的井場參數，進行實時監測。

2 系統綜合測試與現場應用

在搭建軟硬件實驗平臺的基礎上，進行井場參數無線自動采集系統的調試和綜合測試。通過調試和測試可知，此系統運行良好，實現了所要求的設計功能，以及數據的采集和傳輸，并將結果顯示在人機界面上。該系統在長慶油田某井場進行現場應用，效果良好，減輕了現場工作人員的工作量，提高了工作效率，實現了井場與控制中心的有效連接，加快了油田數字化建設的步伐。

3 結語

在了解無線傳感網絡原理的基礎上，構造無線采集系統網絡模型。為了減少數據沖突，采用退避算法和握手機制相結合的退避方式；優選層次式分簇路由協議中的LEACH協議，滿足井場參數無線自動采集設計的要求。在硬件設計部分采用STC12LE5616AD單片機與nRF905為核心部件，利用C#編制相對應的監控軟件，完成系統軟、硬件設計，實現系統測試和數據處理功能。該系統可以實現井場參數的實時采集和傳輸，利用界面功能分類顯示所采集的數據。經過系統綜合測試和油田井場應用可知，測試效果良好，能實現數據實時采集與傳輸，滿足設計初衷，可在油田大范圍推廣。

[1]楊寧，田耀，張平，等．無線傳感器網絡拓撲結構研究[J]．無線電工程，2006，36（2）：11-14.

[2]于海斌，曾鵬．智能無線傳感器網絡系統[M]．北京：科學出版社，2006.

[3]斯托林斯．無線傳感器網絡[M]．北京：清華大學出版社，2005.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.047