便攜式油田現場網絡終端適配器

王玉峰，于聰智，孫 威，孔 陽

（1.中石油華北油田分公司數據中心河北任丘 062552；2.中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

便攜式油田現場網絡終端適配器

王玉峰1，于聰智2，孫 威1，孔 陽2

（1.中石油華北油田分公司數據中心河北任丘 062552；2.中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

油田現場設備的正常運行是保障油田高效生產的重要措施之一。本文基于油田物聯網技術和觸摸屏技術，提出利用ZigBee無線傳感器網絡搭建無線數據采集和傳輸系統，以Cortex-M3內核的微處理器為核心，編寫軟件實現友好的人機界面，以此來完成該檢控系統的整體構建。目前，該系統的原型機已經實現，通過實驗表明，該系統性能穩定，各項指標均達到要求。

ZigBee；Cortex-M3；人機界面；檢控系統

我國油田油井數量多，且大多分布在野外，無人看守，所處環境惡劣，油井設備的運行易受自然和人為等各種因素的影響，油井數據的采集基本靠油田工人完成[1]。無論嚴寒還是酷暑，采油工人都必須定期開車攜帶大量的檢測設備到各個油井檢查設備運行情況并且記錄采油數據，工人勞動強度大，很多儀器儀表的操作非常繁瑣，并且數據的準確性完全依賴于采油工人的工作責任心。并且經常因為受到天氣變化和交通工具的影響而無法正常獲得生產的參數，嚴重影響了油水井的自動化管理[2]。

在油田應用領域，經常涉及到對分散的各個油水井設備集中管理的問題，一般使用布置光纖等方法實現集中管控或使用手機應用軟件APP管理油水井設備。一定程度上解決了上述問題，但是這些技術還有很大的局限性。

1）采用布置光纖的方法可以將各油井設備集中管理起來，在監控中心查看設備運行狀況，其缺點是布置光纖過于復雜，易受外界環境影響，導致斷網，光纖出現問題后維修不便；

2）采用手機應用軟件APP能夠滿足管理油水井設備的要求，但需要對現有終端設備升級改造，移動網絡信號要求苛刻，易受外界黑客的攻擊，威脅到油水井信息安全，對國家利益造成損失。

目前，油田在數據采集及傳輸網絡上的現狀如下：

1）油井位置分散，各個現場網絡環境復雜，存在著多種傳輸方式；2）現場設備的通訊接口眾多，數據傳輸協議標準不統一；3）實現對油田所有油井設備的監控管理是不可能的。

1 系統分析

文中將傳感器技術、ZigBee技術構建無線傳感器網絡，采用GUI技術設計人機界面，數據采用modbus協議封裝，安全可靠，不會泄露油田信息，使用嵌套式界面可以實時查詢需要了解的數據，根據設備分析結果進行校正設備運行狀態，能夠達到安全穩定集中管控油水井設備的需求。

傳統的無線傳感器網絡在運行時，終端設備采用定時的方式采集數據，最終將數據傳輸到上位機。這種方式不利于工業現場的實時監控。鑒于此，本文采用實時監控的功能，采油工人到現場巡檢時，想要了解現場情況，只需要通過該網絡終端適配器來查看現場設備的運行狀況，并給終端設備發送命令，終端設備對其命令進行判斷，然后執行相應的物理動作。達到實時監控目的。

ZigBee無線網絡的實現，是建立在ZigBee協議棧的基礎上的，協議棧采用分層的結構協議分層的目的是為了使各層相對獨立，每一層都提供一些服務，服務由協議定義，我們只需要關心與他的工作直接相關的那些層的協議，他們向高層提供服務，并由底層提供服務。

圖1 ZigBee協議棧架構圖

物理層負責信道的選擇以及通過物理信道對數據包進行發送和接收。MAC層主要實現信道介入，發送和接收幀結構數據。網絡層主要用于zigbee網絡的組網連接、數據管理和網絡安全。應用層包含應用支持子層，應用程序框架層和ZDO設備對象，主要為zigbee技術的實際應用給提供一些應用框架模型。

每個油田所管理的油井成百上千，油井位置相對分散，采用單個傳感器網絡覆蓋單個油井的辦法，不同的 zigbee無線傳感網絡之間是通過它們的PanID來區分的，一個PanID對應一個無線網絡，PanID不同，網絡之間無法通信[3]。PanID是通過f8wConfig.cfg文件中的 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置的，范圍為0x0000—0x3FFF，通過zb_GetDeviceInfo（ZB_INFO_PAN_ID，&pan_id）函數讀取[4]。

采油工人進入協調器組建的網絡范圍，請求加入網絡，綁定。協調器收到命令后，以廣播的方式將命令通過ZigBee無線網絡發送給終端設備，終端設備將數據包解析出來，執行相應的物理動作，現場數據采用ModBus協議封裝，通過ZigBee無線網發送給網關，并最終在LCD觸摸屏上實時顯示油田現場的數據信息[5]。

2 系統方案

2.1 設計總體方案

無線系統將油田的現場監測數據，利用無線傳感器網絡，將所有數據以MODBUS協議封裝，通過無線網絡實時、安全、低成本地將數據在液晶觸摸屏顯示[6]。該便攜式油田現場網絡終端適配器用于巡檢工人對油田、油井的設備檢測以及現場數據的實時采集、顯示；實時了解相關設備的運行狀態，及時處理突發事件。

圖2 系統結構圖

2.2 芯片的選擇與介紹

ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真證的片上系統解決方案，CC2530是針對 IEEE 802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。CC2530結合了一個完全集成的，高性能的RF收發器與一個8051微處理器，8 kB的RAM，有一套廣泛的外設集——包括2個UART（一個配置為RS232通信，一個配置為 SPI通信）、12位模數轉換器（ADC）和21個通用GPIO，非常適合低功耗成本項目開發[7]。所以本系統選擇CC2530作為zigbee無線網絡芯片。

2.3 系統構成

該檢控系統由網絡終端適配器模塊、協調器網關模塊以及zigbee終端設備模塊3部分組成。

1）網絡終端適配器模塊 該模塊由CC2530射頻電路和適配器電路組成。該部分采用STM32F103RC芯片，該芯片擁有ARM公司高性能“Cortex-M3”內核，4 Mb/s的UART，1 μs的雙12位ADC以及其它豐富的接口[8]。主要實現對現場的網絡進行配置，也可以對油田現場的設備進行控制管理，并且可以直接與采油工人進行可視化的信息交流。

網絡終端適配器特點如下：首先，要攜帶方便，因為在現場可以查詢和控制所有設備，因而要求該適配器是便攜式的并具有無線通信功能。其次，要配置動態界面，不同的油井可能會有不同的設備，設備的數目、類型也不一定完全相同，基于這些方面的差異，該適配器要配制成動態的?？梢葬槍Σ煌挠途渲貌煌膭討B界面。最后，操作容易，該適配器是為油田工人巡檢時配置的，一定要設計成簡單、直觀、靈活，便于采油工人實用的用戶界面。

協調器網關模塊網關模塊是ZigBee協調器。Zigbee協調器部分由CC2530射頻電路組成，主要負責zigbee無線網絡的組建，網絡的管理和維護[9]。接收到命令后zigbee協調器以廣播的方式將命令通過網絡發送。

網關與終端設備實現數據通信最關鍵的因素是實現它們應用層之間信息流的綁定。綁定實際上就是兩個節點在應用層上建立起來的一條邏輯鏈路，以實現在目標設備地址未知的情況下，向目標節點發送數據的目的。

在油田現場采用match的模式來實現綁定功能，即協調器調用zb_AllowBind（uint8 timeout）函數將其狀態設置為允許綁定，終端設備可通過zb_ BindDevice（）函數發送綁定請求，以此來實現協調器與終端設備的綁定[10]。zb_AllowBind（uint8 timeout）函數通過設置參數timeout對設備進行配置，它代表目標設備進入綁定時間。當timeout為0x00時，目標設備取消允許綁定模式，timeout為0xff時，目標設備被設置為允許綁定模式，調用函數afSetMatch（）實現端點描述符匹配。

2）zigbee終端設備模塊 zigbee終端設備由傳感器和CC2530電路構成[11]。主要實現加入zigbee無線網絡功能，控制傳感器數據采集功能以及對協調器發送的命令格式進行判斷的功能.也就是說zigbee協調器發送命令，終端設備接收后，進行判斷，命令是否為MODBUS數據格式，是否是對本設備的控制命令，如果判斷正確，控制傳感器進行數據采集。

圖3 終端設備結構圖

本設計射頻部分采用巴倫電路對高頻電流進行平衡不平衡轉換。如圖3所示。

圖4 平衡不平衡轉換電路圖

CC2530使用12位ADC滿足現場精度要求，由于CC2530芯片包含一個SPI通信接口，這也給另加高精度ADC后對其控制提供了可能。傳感器將采集到的油溫、油壓等數據發送給網關。

由于本系統所用射頻電路信號為2.4 GHz，信號頻率高，波長較短，PCB板在設計時射頻部分尺寸應盡量減小[12]。在差分信號轉變為單端信號電路（即不平衡狀態與平衡狀態轉換巴倫電路）器件擺放時，應盡量使差分信號部分電路器件保持對稱。由于電路板每一個過孔會帶來10 pF電容效應，所以采用菱形過孔，避免其對信號帶來的干擾，并且選擇最小過孔尺寸（減小過孔寄生電容）[13]。在頂層射頻電路對應的底層板不應放置任何器件。最終的PCB圖如圖所示。最關鍵的是為了降低回損，傳輸線拐角應采用45度角理[14]。

3）顯示界面 在界面顯示模塊分為兩部分：靜態顯示和動態顯示。靜態顯示部分采用Image2軟件將JPEG格式的圖片轉換成C語言數組，從數組中選出要顯示的圖像的長度和高度，然后根據轉換圖片時的掃描順序進行填色處理，并且C語言數組里面數據大小代表顏色深度；動態顯示部分是根據要顯示的動態數字位置坐標，把RS232串口接收到的數據

圖5 射頻電路PCB設計

在圖片預留位置進行顯示[15]。

圖6 顯示控制界面

3 結束語

文中首先結合實際應用分析了該便攜式油田現場網絡終端適配器的功能并給出設計方案，依照提出的方案，完成了基于zigbee無線傳感網絡的系統設計，選取以Cortex-M3內核的微處理器，并根據功能添加了外圍功能芯片，設計了原理圖并完成制板工作，搭建起硬件平臺；在軟件方面，采用GUI編程技術，實現友好界面的編寫，現場數據采用ModBus協議，統一了數據傳輸格式，使各模塊銜接更加緊密，及時的將數據上傳給該網絡終端適配器，由采油工人根據現場的實際情況作出相應的處理，實現對油氣水井的管理和控制。并且在實際應用中對該網絡終端適配器的性能做了測試以達到實際應用水平。

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Portable oil field network terminal adapter

WANG Yu-feng1，YU Cong-zhi2，SUN Wei1，KONG Yang2
（1.PetroChina Huabei Oilfield Branch Data Center，Renqiu 062552，China；2.The Earth Physics and Information Engineering Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The normal operation of the oil field is one of the important measuresto guarantee efficient production.In this paper，based on the field the Internet of things technology and touch screen technology，awireless data acquisition and transmission network is built with ZigBee wireless local area network.The system uses Cortex-M3 as the core unit.The software is written，which can realize the friendly human-machine interface.All of these are used to realize the system which can monitor the field equipments.At present the system prototype is implemented.The field experiment shows that this system has stable performance and the indicators are up to grade.

ZigBee；Cortex-M3；human-machine interface；monitoringsystem

TN92

：A

：1674－6236（2017）01-0097-04

2016-04-18稿件編號：201604185

國家發改委下一代互聯網技術在智慧油田的應用示范項目（CNGI-12-03-043）

王玉峰（1984—），男，河北行唐人，工程師。研究方向：油田信息化。