基于ZigBee 通信協議的油氣井數據采集系統設計

卓吉高，潘 嘉，張長浩

（1.中國石化華東油氣分公司，江蘇南京 210036；2.中石化重慶頁巖氣有限公司，重慶 408400；3.泰州油恒油氣工程服務有限公司，江蘇泰州 225399）

ZigBee 通信協議是以IEEE802.15.4 標準為應用基礎的低功耗型局域網協議文件，與傳統IEEE 協議相比，ZigBee 通信協議能夠同時處理物理層與MAC層中的數據信息傳輸指令，一方面擴展了原有網關的文件聯盟形式，另一方面也對網絡層API 節點進行了標準化處理[1]。從功能性角度來看，ZigBee 協議具有速率低、傳輸距離短的連接優勢，被廣泛應用于近距離無線網絡傳輸環境中，由于各級協議標準文件的存在，同一ZigBee 通信協議的實現，往往需要數千個微小傳感器元件的共同配合[2]。

隨著天然氣勘探開發項目的不斷擴大、石油天然氣鉆采要求的不斷提高、現場生產技術要求的不斷更新，油氣井施工過程中的突發性要素量也在逐漸增多[3]。在此情況下，為確保相鄰油氣井之間的通信穩定性，傳統無線感應型數據采集系統通過USB傳輸的方式，提升通信數據之間的連通性能力，然而由于通信任務量的不斷增大，這種系統應用模式已經不能實現對油氣井數據傳輸行為的準確分析，無法實現對機械結構應用能力的有效保護。為避免上述情況的發生，引入ZigBee 通信協議，設計一種新型的油氣井數據采集系統，借助DSP 芯片等硬件設備結構，對油氣井數據的幀緩沖區進行管理，再聯合ZigBee 協議棧的總體架構，實現對采集幀文件的接收與處理。

1 油氣井數據采集系統硬件設計

油氣井數據采集系統的硬件執行環境由采集信號放大器電路、通信濾波器、DSP 芯片三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 采集信號放大器電路

采集信號放大器電路可提供油氣井數據采集系統所需的傳輸電子，并可在多個電阻元件的作用下，實現對ZigBee 通信信息的收集與處理。一級信號放大結構位于放大器電路上部，可調整L 級電阻設備中的傳輸電流，并可將這些電量信號轉換成全新的傳輸形式[4]。二級信號放大結構位于放大器電路下部，能夠完整承接上級設備元件輸出的通信電子量，可借助C 級與L 級電子通路，將電量通信信息反饋至下級設備結構體之中。總的來說，采集信號放大器電路具備較強的電信號感知能力，可在ZigBee 通信協議的作用下，實現對油氣井數據采集信息的有效存儲。采集信號放大器電路圖如圖1 所示。

圖1 采集信號放大器電路圖

1.2 通信濾波器

通信濾波器存在油氣井數據采集系統的輸入端節點與輸出端節點之間，可按照ZigBee 通信協議重新安排數據信息參量的傳輸行為[5]，再通過L1′、L2′、L3′三個接口組織，重新對數據信息文件進行編碼。通常情況下，L1′、L2′、L3′三個輸出接口分別與L1、L2、L3 三個輸入接口保持對應性關系，隨著采集信號放大器連接狀態的開啟，處于調度狀態的油氣井通信數據會快速進入濾波器結構體之中[6]。由于G 級端口組織的存在，未經完全消耗的油氣井通信數據會快速進入系統接地線組織之中，且隨著操作數據信息傳輸指令，通信數據文件也可得到較好處理[7]，一方面避免了通信數據傳輸堆積行為的出現，另一方面也可滿足濾波器設備三相傳輸需求[8]。通信濾波器結構如圖2 所示。

圖2 通信濾波器結構圖

1.3 DSP芯片

DSP 芯片負責及時協調ZigBee 通信協議的連接能力，從而使油氣井數據的傳輸能力可在短時間內趨于穩定[9]。EITEMT 主板、R 組、C 組、S 組、L 組同時存在于DSP 芯片之中。其中，EITEMT 主板能夠準確接收采集系統中傳輸的油氣井通信數據信息，并可借助R 組、C 組、S 組、L 組四類元件設備，完善ZigBee通信環境[10]。隨著待采集油氣井通信數據量的增大，R 組、C 組、S 組、L 組四類元件所承擔的傳輸壓力也在不斷遞增，在此情況下，DSP 芯片會面臨高強度的數據處理需求，但由于EITEMT 主板的存在，這種指令需求的發展水平能夠得到較好控制，并最終為油氣井通信數據提供更為廣闊的采集處理空間。

2 油氣井數據采集系統軟件設計

在ZigBee 通信協議的支持下，按照協議棧架構搭建、幀緩沖區管理、采集幀接收處理的操作流程，實現采集系統軟件執行環境的搭建，結合各級硬件設備，完成基于ZigBee 通信協議油氣井數據采集系統的設計。

2.1 ZigBee協議棧的總體架構

ZigBee 協議棧的總體架構按照通信任務優先級由高到低的順序進行排列，且隨著油氣井通信數據的不斷傳輸，協議參量也會保持層層遞進的運轉狀態，直至將系統內暫存的油氣井通信數據完全消耗至原始存在狀態[11]。ZigBee 應用程序位于協議棧體系的最上端，具備最弱的通信任務優先級水平，在執行采集指令的過程中，只能依靠其他節點對油氣井數據信息所屬類別進行分辨[12]。應用層、網絡層、MAC層組織中的通信任務優先級水平依次遞增，即該結構元件所接收到的油氣井通信數據量也在隨之增大。兩個抽象層結構可以同時對油氣井通信數據的傳輸行為起到促進作用，屬于協議棧體系中獨立的通信傳輸結構，ZigBee 協議棧總體結構示意圖如圖3所示。

圖3 ZigBee協議棧總體架構示意圖

2.2 油氣井數據的幀緩沖區管理

在ZigBee 協議棧總體架構的支持下，油氣井數據幀緩沖區管理行為等同于對數據信息傳輸量的二次加工，由于通信濾波器、DSP 芯片等多個結構性元件的存在，油氣井通信數據可在系統數據庫主機中大量存儲，且不會隨獨立采集指令的執行而出現全部輸出的情況[13]。簡單來說，幀緩沖區可等同于小型的通信數據疏導機構，在采集系統內部，ZigBee 通信協議所具備的傳輸能力越強，系統主機在單位時間內所采集到的數據信息總量也就越大[14]，而隨著這些物理信息量的不斷堆積，系統運行環境中極易出現明顯的數據擁塞行為，而在幀緩沖區管理行為的作用下，這些信息參量得到了較好地疏通，不僅能夠在一定程度上促進系統采集能力的增強，也可較好地保障ZigBee 通信協議的實際應用能力。油氣井數據幀緩沖區管理流程圖如圖4 所示。

圖4 油氣井數據幀緩沖區管理流程圖

2.3 采集幀接收處理

采集幀接收處理是油氣井數據采集系統設計的末尾操作環節，在ZigBee 通信協議的作用下，該項執行命令的作用結果能夠影響系統主機對于油氣井通信數據的實際采集效率，從而幫助各級單位體系對施工現場的進度狀況進行較好地判斷[15]。在不考慮其他干擾下，采集幀接收處理結果同時受到油氣井通信數據傳輸系數與通信時長兩項物理量的影響[16]。一般情況下，油氣井通信數據傳輸系數并不能單獨存在，在同一采集系統中，該項系數的存在結果量至少為兩個(W1、W2)。通信時長可表示為f，由于ZigBee 通信協議屬于一種單向的信息傳輸標準，因此該項物理量也不存在無限增大或縮小的可能。聯立上述物理量，可將采集幀接收處理結果表示為：

式中，χ代表間接性通信行為量，pˉ代表單位時間內的油氣井通信數據傳輸均值。至此，完成相關軟硬件設備結構體系的搭建，在ZigBee 通信協議的作用下，實現油氣井數據采集系統的順利應用。

3 系統測試

為驗證基于ZigBee 通信協議油氣井數據采集系統的應用有效性，設計如下對比實驗。將待檢測油氣井置于各連接管道中部，分別將實驗組、對照組應用主機置于中心油氣井兩端，其中，實驗組主機配置基于ZigBee 通信協議的油氣井數據采集系統，對照組主機配置傳統無線感應型數據采集系統。

RPS 指標能夠反映隨著通信任務的執行，油氣井通信數據采集指令的運行速率變化情況，大多數情況下，前者的數值水平越高，后者的運行速率就越快，RPS 指標記錄具體實驗結果如表1 所示。

表1 RPS指標記錄結果

在表1 中，實驗組RPS 指標在實驗時間達到20 min 后，呈現出明顯不同于前20 min 的急速上升狀態，但這種上升變化的持續時間相對較短，當實驗時間達到40 min 時，這種上升狀態得到有效控制，但總體上升變化趨勢并未改變。兩組對照組RPS 指標在前35 min 的實驗時間內，一直保持小幅平穩上升的變化狀態，而從第40 min 開始，則進入了快速下降階段，其極大值水平也遠不及實驗組。

QDI 指標反映了油氣井設備在通信傳輸過程中的損傷可能性，在ZigBee 通信協議應用能力不發生改變的情況下，QDI 指標數值越大，油氣井設備在通信傳輸過程中的損傷可能性也就越大。表2 記錄了實驗組、對照組QDI 指標數值的實際變化情況。

分析表2 可知，實驗組QDI 指標在整個實驗過程中始終保持不斷下降的數值變化趨勢，但從第35 min開始，其下降幅度明顯得到有效控制。兩組對照組QDI 指標在前30 min 的實驗時間內，一直維持連續上升的變化趨勢，而從第35 min 開始，則逐漸趨于相對穩定的數值變化狀態。從極限值角度來看，實驗組最大值32.6%與兩組對照組最大值62.3%、58.4%相比，下降了29.7%和25.8%。

表2 QDI指標記錄結果

綜上所述，RPS 指標出現了明顯上升的變化趨勢，而QDI 指標卻開始不斷下降，不但能夠加快油氣井通信數據采集指令的運行速率，也可避免在通信傳輸過程中，相關設備元件出現非必要性損傷。

4 結束語

隨著ZigBee 通信協議的應用，油氣井數據采集系統聯合采用信號放大器電路、通信濾波器等多個硬件設備結構，在管理油氣井數據幀緩沖區的同時，完成對采集幀的接收與處理。從實用性角度來看，RPS 指標增大與QDI 指標減小同時出現，能夠加快油氣井通信數據采集指令的運行速率，同時避免損傷關鍵設備元件，這在一定程度上延長了油氣井元件的實際使用壽命。

油氣井數據采集系統設計還在不斷完善中，未來可以就減少油氣井數據采集時間，且保證數據采集的精度上進行更加深入的研究，為實際的油氣井數據采集工作提供借鑒。