基于ZigBee技術的井口數據傳感器設計與實現

周 洋

（北京航天時空科技有限公司，北京100074）

1 ZigBee通訊技術

ZigBee是工作在2．4GHz頻段的無線通信技術，其底層基于IEEE802．15．4標準，特點是雙向無線通信、低速率、低復雜度、低功耗，特別適用于工業自動化監測領域。

ZigBee有3種網絡拓撲形式：星形網絡、簇形網絡、網形網絡。此外，ZigBee還有另2種更為簡單的通訊方式：點對點通訊、點對多點通訊。無線油井傳感器和油井監控RTU（遠程測控單元）相當于點對多點通訊模式，在網絡架構上ZigBee技術符合本文應用的需求。

2 系統總體方案

無線壓力傳感器、無線溫度傳感器、油井監控RTU組成一個單井無線監測子網。無線傳感器定時采集單井壓力、溫度參數，通過ZigBee網絡傳送給油井監控RTU。油井監控RTU保存監測數據，直到上一級無線網關查詢數據，將所要數據讀取為止。多個油井監控RTU（每個分配不同的地址）對應一個無線網關，組成多井無線監測母網。

數據匯集到無線網關后，通過以太網口傳送到油田信息中心服務器。多個無線監測子網、母網相互組合，便實現了整個油田的監測網絡覆蓋。通過油田信息中心服務器的監控軟件，工作人員可及時掌握每一口油井的工況。

3 傳感器硬件設計

設計無線壓力傳感器和無線溫度傳感器，分別安裝在油井井口位置，用于定時采集井口壓力、溫度數據，并將數據通過無線網絡發送到油井監控RTU中。

2種無線傳感器設計需滿足以下要求：低功耗（電池供電）、高精度（±0．5%FS、±0．2℃）、防護性（IP67）、防爆性（本安加隔爆）、通訊形式（ZigBee）。無線傳感器硬件由6個模塊組成：MCU模塊、電源管理模塊、傳感探頭模塊、放大電路模塊、無線通信模塊、電池供電模塊。

3.1 MCU模塊

MCU模塊是傳感器核心，編程控制各模塊，完成電源控制、無線模塊控制、A／D模數轉換、存儲設置參數、存儲標定數據等任務。

MCU模塊選用Silicon Labs公司的C8051F410，該芯片是一款集成多外設的低功耗單片機，性能滿足設計要求，其具有4種工作模式：正常、空閑、掛起和停機，真12位200kb／s的24通道ADC，低功耗（掛起和停機模式耗電僅150nA）。

3.2 電源管理模塊

電源管理模塊負責輸出各模塊幾種不同工作電壓，如MCU和無線通信模塊工作在＋3．3V，放大電路模塊工作在＋3．0V，A／D變換基準為＋2．5V。電源管理模塊由 MCU管腳控制，傳感器休眠時關斷部分模塊電源，降低平均功耗。

選用TI公司的TPS76933芯片輸出＋3．3V電壓，供MCU模塊、無線通信模塊等數字電路使用。選用TPS76930芯片輸出＋3．0V電壓，供壓力敏感元件、溫度敏感元件和放大電路模塊使用。選用TPS76925芯片輸出＋2．5V電壓，供A／D變換基準使用。

TPS769××系列低壓降（LDO）電壓穩壓器具有壓降低、功耗超低和封裝小等優點，與通常穩壓器相比具有較低的跌落電壓和超低的靜態電流（最大輸出100mA時僅消耗17μA靜態電流）。該系列芯片具有輸出關斷功能（由引腳控制），在關斷模式下僅消耗1μA靜態電流。

3.3 傳感探頭模塊

（1）壓力敏感元件。考慮油井工況的壓力測量范圍（0～1．6MPa）、耐壓程度（承受1．5倍額定工作壓力）、測量精度（小于±0．5%FS）、環境溫度影響、介質相容性、沖擊振動較大等因素，選用西安麥克公司MPM281型工業級壓阻式壓力敏感元件，其具有高精度（±0．15%FS）、溫度補償、穩定性高（±0．2%FS／年）、耐腐蝕（不銹鋼316L）等特點。

（2）溫度敏感元件。鉑電阻（Pt1000）是目前工業上應用最廣泛的一種測溫元件。溫度變化時，其電阻值基本呈線性變化，接入放大電路便可把熱力學溫度信號轉換成電壓信號。選用日本林電工的CRZ－2005－1000型Pt1000薄膜鉑電阻。這種鉑熱電阻用真空沉積的薄膜技術把金屬鉑濺射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以內，用玻璃燒結料固定Ni（或Pd）引線，經激光調阻制成薄膜元件。在測量溫度范圍內，其輸出電阻值與溫度成一定的比例關系，例如，在0℃時阻值是1 000．00Ω，在100℃時阻值約1 385．00Ω。

3.4 放大電路模塊

該模塊采用差分放大電路，壓力敏感元件4根引線定義依次為＋3V、S＋、S－、GND。其中，＋3V和GND為壓力敏感元件供電，S＋和S－是敏感元件的信號線，兩線間mV級的電壓差信號經過差分放大電路放大，調整為0～＋2．5V（基準電壓）的電壓信號，之后進行A／D模數轉換。測溫電路與測壓電路相類似。

3.5 無線通信模塊

選用CEL公司的ZICM2410（2．4GHz）無線模塊，其技術參數為：工作頻率2．405～2．480GHz；3 000英尺無障礙傳輸距離；接收靈敏度－97dBm；發送功率＋6dBm；工作電壓2．1～3．3V；發送數據電流44mA；接收數據電流35mA；休眠電流＜1μA；無線通訊速率250kb／s、500kb／s、1Mb／s。

應用上無線模塊串口與MCU模塊串口相連即可實現控制。MCU的P0．4口（TXD）接無線模塊的P1．0口（RXD），MCU的P0．5口（RXD）接無線模塊的P1．1口（TXD）。無線模塊固件版本升級到V1．15后增加了硬件休眠功能。外部拉低模塊P3．0引腳至少100μs后，模塊將在1ms內進入休眠模式。相比之前發送AT命令（控制模塊命令進入休眠至少需要10ms），進入休眠時間更短，更加省電。需要喚醒模塊時，MCU連接的I／O管腳拉低無線模塊P3．2引腳即可。

3.6 電池供電模塊

電池供電模塊為無線傳感器各模塊提供電能，為確保在室外長期應用，同時在無線傳感器進行防爆認證時能夠通過試驗測試，選用工業級鋰／亞硫酰氯電池。其具有如下特點：使用溫度范圍廣（－55～＋85℃）；自放電率低（存放一年低于1%）；長時間微電流工作（工作年限達8～10年）；在強制放電極端情況下不會解體或燃燒。

4 傳感器軟件設計

傳感器主程序包含兩部分，一是工作狀態程序，二是標定狀態（參數設置）程序。傳感器上電后，單片機進入初始化程序，包括端口初始化、時鐘初始化、中斷初始化、串口初始化等。程序會判斷進入工作狀態還是標定狀態，依據是外部中斷置位。實現方法是利用磁棒與電路板上干簧管相靠近，使之導通接地，連到干簧管的單片機外部中斷管腳拉低，外部中斷置位，單片機進入中斷服務程序（標定狀態）。

工作狀態程序流程：MCU多次采集壓力或溫度變換后的A／D值，對采樣值取平均數，通過公式求出壓力或溫度值。按通訊協議向油井監控RTU發送數據幀，如果傳送成功，傳感器收到RTU應答幀后立即進入休眠模式；如果傳送失敗，傳感器再次發送一幀數據，等待RTU應答；如果數據幀3次傳送均失敗，傳感器進入休眠模式。

標定狀態程序流程：MCU采集壓力或溫度最小A／D值，對于壓力傳感器，最小A／D值是標準大氣壓值。之后傳感器采集最大A／D值，即所測量程的最大值，如測量范圍為0～1．6MPa，最大A／D值是1．6MPa時的測量值。之后程序計算系數，并保存到MCU內部的FLASH中。例如：系數A為0．000 484 408 1，保 存 為 BCD 碼 04，84，40，81；系 數 B 為0．001 574 33，保存為BCD碼00，15，74，33。之后設置傳感器工作參數，包括休眠周期、發射間隔、報警上下限、儀表地址。

5 結語

油井自動化監測系統的實現，大大降低了油田人工成本，提高了企業生產管理水平。

［1］張琪．ZigBee的幾項應用［J］．射頻世界，2008（3）

［2］張高群．電廠應用ZigBee技術的前期研究［D］．重慶大學，2008

［3］許輝．基于ZigBee的抽油機示功圖采集［D］．東北石油大學，2013

［4］俞張輝．基于ZigBee的智能家居控制系統研究［D］．上海師范大學，2012

［5］沈建明．基于ZigBee的溫室大棚的溫濕度監測系統［D］．西安工業大學，2013