基于LoRa無線傳感器網絡的帶壓作業監控系統設計

賀靖淇 梅大成 陳亞萍 蘇杰

摘要：LoRa作為新興的無線通信技術，以其低成本、低功耗、遠距離、自組織等特點，廣泛應用于智能家居、安全監控、智慧油田、智慧城市等領域。本文針對油田采油井工作環境的復雜性性，設計了一套基于LoRa無線傳感器網絡的帶壓作業監控系統，實現了采油井參數監測、設備遠程控制等功能。并通過實驗證明了本系統不僅在功耗上滿足實際需求且運行穩定。

關鍵詞：LoRa；智慧油田；低功耗；傳感器網絡

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0022-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著工業化進程不斷加速，石油能源在各個化工行業以及日常生活中有著重要的價值，因此，一套高效率、低功耗、低成本的無線監控系統顯得尤為重要。采油井作為油田重要工作場景，傳統的工業數據采集檢測系統往往不能及時反應采油井重要數據參數、且存在布線困難、成本高，往往會受復雜的地理環境的限制，嚴重影響了系統的實時性和數據的準確性。為了解決上述情況，本文選用LoRa擴頻技術設計了采油井數據監控系統，能夠實時監測工況，并且可以遠程控制設備運行狀態。

1 帶壓作業監控系統網絡結構

以川慶某作業井為例，需要為油田采油井各個關鍵工作參數設計無線傳輸方案。油田采油井共分布著多個參數采集設備和一個數據集中器設備。

針對現場需求和LoRa無線傳感器網絡技術，考慮將井口壓力、大繩拉力、卡瓦狀態、防噴器狀態傳感器節點作為“終端”負責采集信息，以監控油田生產設備環境狀況和收集重要參數信息，用鋰電池供電；集中器節點則安裝在各油田監控室，并通過串口與PC相連，實時監控設備各關鍵參數，指導工作人員制定工作計劃，集中器由市電供電。這樣就將油井各傳感器采集設備和集中器設備構成了多對一的網絡。

基于上述考慮，將井口壓力、大繩拉力、卡瓦狀態、防噴器狀態等傳感器作為終端節點，集中器節點在總控室與電池一起安裝，即每一個采油井使用一個集中器節點，每一個集中器節點即代表一個獨立的局域網絡，與其構成網絡的多個傳感器節點作為其子節點。集中器節點也可以稱為網關，以433MHz無線通信頻段與子節點進行通信，以485串口透傳方式與PC機進行數據交互。

2 系統硬件結構設計

2.1 傳感器節點

結合項目設計的具體需求，選擇ST公司的STM32F051芯片作為傳感器節點的主控芯片（MCU），該單片機支持等待、低功耗運行、低功耗等待、主動停止、和停止等5中低功耗模式，方便了Lora無線傳感器終端設備的低功耗設計，完全滿足需求。傳感器節點硬件結構。

傳感器模塊采用成熟的插入式標準化模塊，將模塊通過底板預留外設引腳與MCU相連接，實現設備通用化靈活配置。LoRa射頻模塊選用SX1278射頻模塊，具有超遠距離擴頻調制信道、高抗干擾能力和超低電流功耗，采用星型網絡架構，可以將數百萬的無線傳感器組成網絡。

2.2 集中器節點

集中器節點采用Cortex-M0處理器完成主控功能，使用sx1276進行lora數據收發，集中器節點運行FreeRTOS系統，可支持本地實時數據監控和歷史數據調取，也可直接發送數據到公網云服務器，供用戶遠程監控。集中器節點具有LoRa自組網通信協議所有功能與特性，負責建立網絡，管理傳感器節點、存儲并上傳傳感器節點信息等功能，另外增加了串口透傳模塊與PC機軟件進行數據交互，為了滿足大量傳感器節點之間傳輸不沖突，故為集中器節點增加了所必需的GPS模塊，以達到集中器節點與傳感器節點進行精準時間同步，防止時鐘偏移現象發生。

3 系統軟件結構設計

系統軟件主要包括傳感器節點軟件設計、集中器節點軟件設計兩部分。傳感器節點主要實現數據的采集和發送，并實時接收通過集中器節點下發的設備控制信息；集中器節點一方面負責網絡的配置和管理，另一方面收集各個傳感器節點發送的數據，將數據處理后通過串口上傳至上位機軟件，并按需求下發控制信息以控制傳感器節點設備狀態改變[5]。

3.1 傳感器節點軟件設計

傳感器節點程序的主要任務分為“采集數據按時上傳”和“控制響應”，前者是按照給定的時間間隔采集傳感器數據，后者則包括“控制信息響應”和“入網、掉網時間處理”，采用終端處理方式。如圖1所示，傳感器節點初始化完成后，先產生入網隨機時間延時，避免多個傳感器節點同時向集中器節點發送入網請求，在成功加入網絡后獲取數據包發送時間和時間片，然后進入休眠狀態。傳感器節點處于休眠狀態時，檢測信道中是否有數據要接收和是否到達定時發送時間，并在信道中有數據要接收或到達定時發送時間時喚醒，信道中有數據要接收時，LoRa終端進入接受狀態，在數據接收完后對數據進行解析，然后執行相應操作，若到達定時發送時間，則將要發送的數據包封裝，然后上報，完成上述操作后LoRa終端進入休眠狀態。

3.2 集中器節點軟件設計

集中器節點的任務相對簡單，只需要接收和處理自組網絡中的網絡消息、并按規定時間對整個網絡中的節點進行時間同步、規劃節點上報時間并下發時間片。網絡消息分為來自串口上位機的設備控制命令和來自各個傳感器節點的數據消息。如圖2所示，集中器節點初始化完成后處于數據接收狀態下，檢測是否接收到串口數據和信道中是否有數據要接收。]若收到串口數據（上位機軟件通過串口下發的指令等），則對串口數據進行解析，解析完成后對串口數據進行打包和下發。若信道中有數據要接收，則進行數據接收，并在數據接收完成后對其進行解析，若接收到的數據為上報數據則將其上傳給主控設備，若接收到的數據為入網請求，則判斷其為新節點或舊節點，并執行相應操作將發送入網請求的傳感器節點加入網絡中，然后進行時間同步和時間片下方，完成上述操作后LoRa集中器進入休眠狀態并按時喚醒進行CAD信道檢測。

4 終端測試

為了測試無線監控系統的運行穩定性和所涉及硬件功耗情況，采用1個集中器和2個節點組成一個簡易網絡進行測試進行丟包率計算，最終通過丟包率來判斷網絡穩定性。

為選擇最佳通信參數，在不同的參數設置下對單一基站覆蓋的無線網絡進行仿真實驗。

具體的通信參數設置為：帶寬為125kHz，擴頻因子為12，編碼率為4/8，載波頻率為433MHz，發射功率為+14d Bm。配置dh11溫濕度傳感器進行功耗測試，數據采集上報周期為15s，利用Keithey2700數據采集儀測量監控終端工作電流，功耗如表1所示。

從上表數據可以看出，測得系統在休眠狀態下電流可以達到1.4?A，通過計算可知設備平均工作電流約為0.15mA，若采用20000mAh的電池，理想情況下設備可以運行近10年，能夠達到應用需求。

集中器設備能夠采集2個節點發送的數據包個數并在接收數據后可以上傳至PC機進行處理，我們通過2個節點發送的數據包總數和集中器收到的數據包個數的差值進行比較，來計算網絡系統24小時的丟包率。測得數據和丟包率。

測試距離小于350米時丟包率不大于5%，通信穩定、可靠，滿足當前項目需求。

5 結論

通過傳感器節點、集中器節點組建的無線傳感器網絡，實現了采油井關鍵信息的采集、傳輸和處理。適用于采油井關鍵信息多而廣的應用需求，同時也大程度上降低了組網、部署和維護成本。作為油田信息系統中數據獲取的有效技術手段，無線傳感器網絡具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1] 劉佶，徐群.ZigBee無線傳感器網絡技術在油田信息采集系統中的應用[J].電子設計工程，2014（5）：157-160.

[2] 肖候均，郝衛東，劉一鳴.基于ZigBee的無線醫療監護系統設計[J].微計算機信息，2012，280（01）：74-75+3.

[3] 黃增波，葉錦嬌，趙華瑋.基于LoRa技術的低功耗無線錨桿應力傳感器設計[J].煤礦現代化，2017（1）：39-42.

【通聯編輯：王力】