基于ZigBee的油水井電量采集系統的設計研究

胡宗軍，曹旭東，梁華慶，曹衛東

（1華北油田公司采油二廠河北任丘062550；2中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

基于ZigBee的油水井電量采集系統的設計研究

胡宗軍1，曹旭東2，梁華慶2，曹衛東2

（1華北油田公司采油二廠河北任丘062550；2中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院，北京102249）

文中通過設計電量采集電路以及結合了ZigBee無線網絡技術，對電量數據進行采集和分析，并利用其支持IPV4以太網功能將儀器所得到的數據實時傳送到工作站服務器上，從而讓操作人員能夠實時監控油田現場油氣井電參量，及時發現數據異常并解決問題。通過這一系統的研發，能夠得到可靠的數據采集結果與數據通信，實現高效且低功耗的油田作業目的。

IPV4；ZigBee；實時監測；電量采集

隨著科技的不斷發展，網絡技術也越來越發達，如何將現代互聯網技術融入進傳統行業中成為了社會的一個焦點問題，互聯網與傳統行業的結合必將給傳統行業帶來翻天覆地的變化，從而提高生產效率并使生產成本大幅降低。對于石油行業，在原油開采的過程中由于油氣井之間分布非常散亂，所以就造成了工人對油井的維護異常困難，通過設計智慧油田系統，則很好的解決了對油田各油氣井運行狀態實時監控的問題，為油田技術人員對油井運行狀態數據的采集和分析提供的很大的方便，實現了網絡化智能生產。

針對目前石油勘探開采的現狀，擁抱互聯網，改革原有的勘探開發方式成為了一個社會趨勢。本文通過設計電量采集電路以及ZigBee無線網絡技術，利用支持IPV4以太網將儀器所得到的數據實時傳送到工作站服務器上，從而讓操作人員能夠實時監控油田現場油氣水井電參量，并對數據進行采集和分析，從而使操作人員能夠及時發現數據異常并排除異常。

1 系統的總體設計

整個系統由終端電量采集設備、中心控制器、RTU模塊、上位機圖形界面軟件4個部分組成。系統主要應用：高性能嵌入式STM32F103RC單片機作為核心處理器，同時選擇專門測量電力線參數的集成芯片CS5463，并采用ZigBee技術及IPV4的網絡通迅技術，完成系統的設計。通過這些技術的融合，克服了信號干擾噪聲大和油田面積大不易組網等方面問題，且利用先進的網絡技術，將分布在油田各處的傳感器數據迅速的收集并傳輸到上位機，實現了油田技術人員對油田現場各油氣井數據的實時監控和對油田設備的實時控制，讓“互聯網+”技術與傳統能源生產結合起來，實現自動化生產，從而提高生產效率，減少生產成本。

圖1 系統組成框圖

圖2 系統結構圖

整個控制系統采用是嵌入式Cortex-M3系列的ARM處理器STM32F103RC芯片來實現系統的主要控制功能，在嵌入式LINNX系統下設計的內核程序，使每個程序都能獨立并同時運行，包含了3路485總線接口，其中兩路分別用于RTU與網口，另一路為擴展接口來拓展功能。

通過采用CS5463電量采集芯片作為整個電量采集電路設計的核心，將三相電的各項信息通過采集電路進行數據采集，然后CS5463芯片與中心控制器STM32F103RC是通過SPI串行通訊接口進行數據通訊的。SPI是一種高傳輸速率，同步雙向傳輸的通迅總線技術，而且僅僅使用了4根線來進行通信，減少了對芯片接口的占用。其中4個管腳分別是SDO、SDI、SCLK、CS，其中CS是片選接口，當主設備下的從設備數目不只一個時，則需要CS接口傳輸設備使能信號，從而判斷芯片是否被激活，如果只有一個從設備，則CS接口就不需要了。

RTU模塊通過以太網來傳輸數據到上位機，其中RTU與控制器之間是通過ZigBee網絡進行數據傳輸的。終端數據采集設備將采集到的數據通過RTU傳輸給控制器，控制技術人員也可以通過控制端向終端設備發送命令，通過以太網傳到RTU模塊，RTU模塊再控制ZigBee網絡對控制器發送命令，采集相應的電量信息。

由于現場需要通訊的設備很多，通訊協議也不一樣，給設備之間、設備與控制器之間的數據傳輸造成了很大的困難，必須采用統一的一個傳輸協議才能保證系統的正常運行，本系統使用的是MODBUS傳輸協議，方便系統數據進行傳輸。

系統具有以下創新點

1）在ZigBee數據協議包的基礎上，移植入MODBUS協議，使系統處于相同的數據協議下，便于各個模塊通信。

2）根據現場情況，采用由協調器廣播發送命令，在終端傳感器設備判斷處理命令的方式，實現星型網絡的構建。

2 系統硬件電路設計

2.1 主控芯片

STM32F10x系列是中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導體（ST）公司出品，其內核是Cortex-M3。該系列芯片按片內Flash的大小分為3大類：小容量（16 K和32 K）、中容量（64 K和128 K）、大容量（256 K、384 K和512 K），STM32F103RC則屬于該系列中的一種大容量增強型處理器。STM32F103RC增強型使用的是高速的ARM Cortex-M3系列32位的RISC內核，工作時鐘頻率為72 MHz，芯片中內置高速存儲器（高達128 K字節的閃存和20K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個 USB和一個CAN。 STM32F103RC增強型系列工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0 V至3.6 V，通過各種各樣的省電手段來應對低能耗的應用場景。其最小系統電路圖如圖3所示。

2.2 電量采集芯片

CS5463是一種被廣泛使用在數字電能表制造上的測量芯片，它具有測量精度高，低成本的優點。CS5463是專門用于對三相電進行各種參數測量設計，能夠對瞬間電壓和電流進行精確地測量，并能夠計算瞬時功率、電流有效值IRMS和電壓有效值VRMS、有功功率、視在功率、無功功率、基波功率、諧波功率、功率因數以及電壓頻率。

CS5463與不同的外設進行連接即可測量不同的電能數據。如果將分流電阻或電流互感器與芯片進行組合連接則可以用來獲取電流參數，將電阻分壓器或電壓互感器與芯片進行組合連接則可以用來獲取電壓參數。并且，因為CS5463片內集成了溫度傳感器，通過對傳感器對芯片溫度的測量，有利于產品研發者計算溫度變化所帶來的誤差，提升測試準確度。

圖3 STM32芯片的主控電路圖

圖4 CS5463測量電路圖

2.3 ZigBee終端

ZigBee相比于其他數據通信方式的最大優勢在于低功耗的性能，一般的話在每小時啟動設備一次采集數據，隨后進入睡眠狀態，發射功率僅為1毫瓦，采用鋰電池提供電量支持設備工作超過3個月時間。但是作為整個無線網絡的核心協調器是不能設置為低功耗模式的，終端設備作為傳感器采集的控制器一般配置為低功耗模式。

CC2530芯片有5種芯片管理模式：active模式、idle模式、PM1模式、PM2模式和PM3模式，其中后3種為低功率模式[3]。PM1模式下芯片內部調壓器到數字核心工作，時鐘由晶體振蕩器提供，設備可以由外部中斷或者睡眠定時器喚醒，睡眠時間低于3 ms。在PM2模式下，電壓調節器到數字核心是不工作的，低功率32 kHz晶振工作，喚醒條件類似狀態，睡眠時間大于3 ms。但是如果設備設置為PM3模式，所有時鐘振蕩器全部關閉，只有外部中斷才能將設備喚醒，睡眠時間大于3 ms，滿足超低功耗。active模式為全功能模式，時鐘晶振采用32 MHz有源晶振，idle模式為閑置模式，除了CC2530內嵌的8051CPU核停止運行之外，其余與全功能相同，任何一個有用的中斷都可將CPU核喚醒。

傳統的審美精神仍然起到著非常重要的作用和其存在的價值。這是中國文化的靈魂和根基，越是民族的就越是世界的。當代粉彩沒骨花鳥畫在創作作品當中應當大力弘揚傳統審美精神，把我們傳統的儒、道、釋的美學精神所傳達到作品當中。在捕捉自然界的質樸之外真正達到“天人合一”的審美境界。

根據上面的分析，在本系統設計時考慮到協調器不采用低功耗模式，終端設備應用低功耗模式，但是如果采用超低功耗PM3模式，只有外部中斷才能將終端設備喚醒。但是考慮到油田現場不能人為給與外部按鍵中斷，所以采用PM2模式通過CC2530內部睡眠定時器中斷喚醒，同時也可通過協調器發送廣播命令喚醒設備。

3 軟件控制系統

系統開發的控制系統包括，主體控制程序，stm32與cs5463的驅動控制程序和ZigBee與MODBUS通信協議。其中ZigBee與MODBUS通信協議是系統控制程序的關鍵難點。軟件結構設計如圖5所示。

圖5 軟件結構設計圖

為了管理ZigBee每一個網絡層級的相應任務，系統抽象層OSAL采用事件輪詢式操作系統并建立鏈表結構。由于這幾層中都含有大量的事件原語函數，OSAL在每一層都設立一個事件調度函數，針對這層不同事件，調用相應函數。但是，不論系統的總體和每層的個體，在事件驅動操作系統中都存在優先級的概念。在z-stack協議中，利用建立鏈表的方式，來排列任務的優先級，按照任務優先級由高到低的順序進行事件插入，而相同的優先級，則遵循時間順序判斷。

這樣的話，整個協議棧的驅動就集中在兩個特定的函數中：osal_set_event（ uint8 task_id，uint16 event_flag）和 osal_starttimerEx（ uint8 taskID，uint16 event_id，uint16 timeout_value）。前者為事件設置函數，通過它來進行16位二進制數事件設置，并加入到鏈表當中并進行訪問。后者則為事件輪詢時間設置，即系統每隔一段時間進行事件設置并訪問事件，最小的時間間隔為1us。事件的設置除了在主函數初始化時設置了各層的對應事件，也可在應用層相應位置加入自己所需要的功能事件。

圖6 Z-stack主函數流程圖

觀察z-stack協議，得出結論，整個程序在經歷了一系列初始化之后，最終進入osal_start_system（）函數，并且在該函數進行輪詢，如果有事件發生，就調用處理對應事件的子函數進行處理，如果無，則繼續輪詢操作。調用各層處理函數，主要依靠數組tasksEvents[]和函數指針（tasksArr[idx]）（idx，events）。前者主要用來讀取并存放相應事件，后者則會調用對應的處理函數，而數組tasksArr[]則描述的是各層任務處理函數。

工業無線網絡中通常會在modbus協議設備地址與ZigBee網絡地址之間建立映射表，或者modbus協議設備地址與ZigBee物理地址建立映射表，這樣的方法只適用于單個無線網絡。但是，油田現場相鄰油井距離動輒幾千米，而傳感器網絡再加入功放器件后，距離最大為1.5千米，很明顯獨立無線網絡是遠遠不能達到達到目的，而且任何一個油田所建立的油井數量都極其多，于是就出現了根據MODBUS協議來給每個設備分配8位設備地址是遠遠不夠的。這樣的話，必須使用單個傳感器網絡覆蓋單個油井的方法，再通過RTU與監控室上位機連接。關鍵點是要建立傳感器網絡與上位機油水井號之間的地址映射表，以便實現對應油氣水井的監控。

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不同網絡無法通信。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，amp;pan_id）函數讀取。在控制端建立PanID與油氣水井號之間的地址映射列表如表1所示。

表1 地址映射列表

上位機通過調用上述地址映射列表找到相應油水井所處的網線網絡PanID號，并發送相應命令給油井現場主控制器，主控制器按照命令進行相應控制，并將結果連同所在PanID反饋給上位機，上位機再通過列表找到對應的油水井并顯示數據。

圖7 控制程序流程圖

由于油水井所要控制的設備較少，現場主控制器接收到命令后，以廣播的方式將命令通過無線網絡發送，現場數據采用modbus協議封裝。對具體某設備的控制判斷，通過該協議中包含的設備地址，在終端設備中進行判斷。不在采用傳統單個無線傳感器網絡數據傳輸方法（通過64位物理地址或16位網絡地址與modbus協議設備地址建立地址映射列表，向對應設備發送命令時要查表找到設備地址對應的物理地址或網絡地址，才能發送命令）。

在系統中由于STM32需要控制很多設備和芯片，所以將每個設備和芯片均按照一定的協議格式進行編號，方便處理器進行調用，而如果是直接從CC2530的緩存中讀取的話，一旦CC2530緩存內容發生改變或者掉電，則處理器將無法再對相應的設備發送控制指令以及接收到采集數據了，在實際應用中，將從CC2530緩存中讀取到的設備ID號寫入處理器的閃存當中，這樣不管CC2530緩存狀態如何改變，只要選取了一次設備ID，就可以持續地對數據進行采集了。

4 系統測試結果分析

對于CC2530編譯來說，采用的是IAR Embedded Workbench，版本是8.1。在對芯片進行編譯的過程中需要先把協議棧安裝到計算機上，并對協議棧進行配置才能下載到芯片。由于采用的是RS485總線技術來進行數據通信的，為了保證串行通訊接口都能正常工作，需要對每個串口進行調試。首先，利用串口調試助手將設定的指令發送到設備，然后設備收到操作指令后完成動作，最后將執行結果返回到調試助手。

對于搭建ZigBee無線傳感器網絡，本系統ZigBee無線傳感器網絡采用的是星型網絡，通過前面有關描述，通過MODBUS協議傳輸的數據和指令是以廣播的方式傳送給終端設備的。如果是廣播幀則需判斷廣播方向，若是由上層向下層傳遞則繼續廣播，如果相反由下層向上層傳遞則廣播并上傳信息。設備接收到控制器傳送過來的命令后，首先先對指令的有效性進行判斷，如果指令正確，則執行相應操作，并將采集到的數據利用同樣的通信協議回傳到控制器，這樣就可以實現遠程設備監控。實物測試如圖8。

5 結 論

本次研究通過設計電量采集電路以及ZigBee無線網絡技術的結合，利用支持IPV4以太網將儀器所得到的數據實時傳送到工作站服務器上，從而讓操作人員能夠實時監控油田現場油氣水井電參量，并對數據進行采集和分析，使操作人員能夠及時發現數據異常并排除異常。經過實驗證明，設計符合要求并能夠有效地采集數據達到預定的目標，為油田的現場工作提供了便利。

圖8 系統實物測試圖

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The research on ZigBee power acquisition for oil and water wells

HU Zong?jun1，CAO Xu?dong2，LIANG Hua?qing2，CAO Wei?dong2
（1.Second Oil Production Company of North China Oilfield，Renqiu062550，China；2.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing102249，China）

In this paper，we design an electric quantity acquisition circuit and use network communication technology supporting IPV4 and ZigBee wireless network technology to transfer real-time data to station server.With these technologies，operators can monitor，collect and analyze electrical parameters of oil gas wells to discover abnormal data and solve the problem in real time.With this system researched，workers in the oil fields will be able to get reliable data collection results and data communication，and attain the goal of high efficiency and low consumption in the oil field operations.

IPV4；ZigBee；real?time monitoring；power acquisition

TN06

A

1674-6236（2017）22-0139-06

2016-09-07稿件編號：201609058

胡宗軍（1967—），男，山東日照人，碩士研究生。研究方向：油田開發及生產管理。