Zigbee 無線傳輸技術在油田數字化建設中的應用探討

王磊

（大慶油田創業集團新世紀實業公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著經濟的快速發展，我國對石油的需求量不斷上升。我國主要油田分布在東北、新疆、華北等地區，油井較為分散，地處偏僻地區，給油田油井生產管理帶來了難題。以往我國大部分油田油井現場數據采集傳輸通過有線方式，在抽油機上安裝傳感器，通過電纜將數據傳回監控中心，這種傳輸方式線路鋪設成本高，管理維護難度大。近年來，隨著無線通信技術快速發展，Zigbee 技術廣泛應用于油田數據采集機傳輸系統中，節省了人力物力，提高了工作效率，推動了油田數字化建設的進程，對油田發展具有重要意義。

1 無線傳輸技術在油田中應用意義

現階段，我國部分油田油井數據采集、監控使用傳感器采集數據，通過有線的方式將數據傳回控制中心，然后對數據進行分析處理，實現對油井的管理。由于油井數量繁多、分布廣泛、地處偏遠地區、地勢復雜，造成線路鋪設成本高、路線長、維護難，增加了油井管理成本，管理效率有待提高。對于一些偏遠地區的油井，以往采取定期巡視檢查的方式管理，不僅浪費人力，油井管理人員的安全也受到影響。為了加強對油井的監控和管理，應用成本低廉、可維護性好的無線傳輸技術成為必然。Zigbee 是一種短距離、低傳輸速率的無線通信技術，使用該技術能夠對無線傳感器進行組網，實現節點間無線傳輸，可以對油井進行遠程監控管理，提高了油井管理效率。

2 Zigbee 技術特點

2.1 Zigbee 技術特點及優勢

Zigbee 技術以IEEE802.15.4（低功率無線個人局域網協議）為規范，廣泛應用于各種設備傳輸中，是一種價格低廉、能耗低、組網方便、自組織、數據速率低、距離近的無線傳輸技術，其技術特點表現在以下幾個方面：（1）能夠自我配置，當檢測到新的設備連入網絡時，能夠自動更新和優化網絡路徑。（2）能夠自我修復。通過動態更新各設備間的連接，避免出現路由器故障。（3）能耗低。該技術能夠將節點間干擾將至最低，降低能耗，延遲電池使用壽命，增加網絡使用時間。（4）通過網絡中大量設備的連接，極大地縮短了網絡故障時間。（5）具有較好的擴展性和靈活性，采用網狀網絡，網絡節點間能夠重組路由。

正是由于Zigbee 技術具有以上技術優勢，在環境惡劣、干擾條件多的情況下能夠提高穩定可靠的無線傳輸，加之其能耗極低，在油田無線數據傳輸中具有明顯優勢。

2.2 Zigbee 技術簡介

Zigbee 技術以IEEE802.15.4 規范中定義的三個頻段來通信，這三個頻段分別是2.4GHz、915MHz 和868MHz，不同頻段數據傳輸速率不同。ZigBee 協議棧由物理層（PHYC）、MAC 層、網絡層（NWK）、應用層（APL）構成。物理層規定了無線信道和介質訪問控制子層之間的連接部分，負責數據服務和管理服務。其中，數據服務通過無線物理信道來收發數據，管理服務能夠實現對數據庫的維護；MAC 層位于物理層的上層，負責處理物理信道的訪問，并且為物理層提供服務；網絡層是協議棧的核心，負責網絡中各種設備的連接、分離、設備的接受和拋棄、尋找路由、信息傳輸等，能夠采用星型或樹型網絡結構；應用層是Zigbee 協議棧的最高層，為其他三層提供服務。

2.3 Zigbee 設備類型

根據設備在Zigbee 網絡中的作用來劃分，Zigbee 設備可以分為協調器、路由及終端，其中，Zigbee 協調器可以作為網絡中心節點，是FFD 類型，一個Zigbee 網絡中只能有一個協調器節點，FFD 協調器功能強大，是整個無線網絡的主要控制節點；路由器節點也是FFD 類型，能夠進行路由的挖掘和網絡信息傳輸，實現與其他節點的相互連接，還能作為普通協調器節點來使用；終端節點可以是FFD 類型或RFD 類型，通過協調器節點和路由器節點連接到網絡中，其功耗較低。

2.4 網絡拓撲結構

Zigbee 網絡拓撲結構有星型、樹型和網格型，不同的拓撲結構具有各自優點。星型拓撲結構中，協調器處于中心位置，既負責組網，也負責管理網絡，終端節點位于四周，通過協調器進行數據傳輸；樹型拓撲結構通過簇樹路由進行信息控制與收發，樹枝處節點為RFD 類型，簇首受到協調器控制，樹型拓撲具有覆蓋范圍廣的特點，但是覆蓋規模過大會影響傳輸速度；網格型拓撲通過多個FFD 節點連接形成主干網，網絡中不同節點之間都可以傳輸數據，主干網中的節點能夠通過與其他節點連接組建自己的子網，網格型拓撲結構可靠性好、自我恢復能力強，傳輸路徑選擇多，一條路徑出了問題，還可選擇其他路徑傳輸，其多路徑也會造成高冗余，影響傳輸速度。三種網絡拓撲結構如圖1 所示。

圖1

3 Zigbee 組網技術

Zigbee 協議內容相對簡單，實用性強，多應用2.4GHz波段，采用跳頻技術，與其他無線傳輸技術相比，Zigbee 傳輸速度相對較慢，但成本較低，且能耗更低，利用Zigbee無線網絡組網，可以容納65000 個無線模塊，每個模塊之間都可以進行進行通信，通信速率為250Kb/s。正是Zigbee 系統的這些優點，非常適用于油井數據采集及監控。

針對采油廠油井比較分散的情況，采用增大Zigbee 的RF 發射功率，使無線網絡節點通信距離達到3km，對油田中成百上千口油井進行區塊劃分，每個區塊中容納一定的油井，這些油井的RTU 之間形成一層Zigbee 網絡，每口油井有多個無線傳感器，無線傳感器與RTU 之間組成一層Zigbee 網絡，以上兩層網絡構成了區塊Zigbee 無線傳感器的網狀網絡。在這個區塊網絡中無線傳感器屬于終端節點，油井的RTU 屬于網絡路由節點，區塊需要一個協調器節點。通過構建的Zigbee 網絡，將油井的油壓傳感器、套壓傳感器、位移傳感器、載荷傳感器、電流傳感器、電量模塊等無線傳感器連入網絡，能夠實時采集油井的油壓、套壓、位移、載荷、電流、電量等參數，然后將這些參數通過Zigbee 網絡匯總到協調器節點，協調器節點再通過GPRS 將數據傳輸到數據中心，實現對區塊油井的監控與管理。

4 結語

隨著技術的不斷發展，油田開發方式不斷進步，應用信息化、智能化手段合理高效開發油田是大勢所趨，建設綠色數字化油田成為主題。如何高效開發油田、降低污染和能耗是油田研究的課題，計算機技術、無線通信技術、自動化技術的應用能夠大大推進油田數字化建設進程。無線通訊技術具有廣泛的適用性，使用成本更低，簡化了作業流程，大大提升了油井管理效率。