ZigBee技術(shù)在石油鉆井隊(duì)快速組網(wǎng)中的應(yīng)用與優(yōu)化

摘要：針對長慶區(qū)域鉆井隊(duì)拆搬安頻率日益增高，且作業(yè)環(huán)境多位于偏遠(yuǎn)野外地區(qū)、缺乏穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀，如何在頻繁搬遷的鉆井隊(duì)中實(shí)現(xiàn)快速、可靠的網(wǎng)絡(luò)組建，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。文章深入研究ZigBee技術(shù)在石油鉆井隊(duì)快速組網(wǎng)中的應(yīng)用，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化（輕量化節(jié)點(diǎn)設(shè)計、信道規(guī)劃） 、低功耗設(shè)計等。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建正常工作狀態(tài)、電源故障狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)干擾狀態(tài)等多種測試場景，驗(yàn)證其高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力和優(yōu)秀的自組織特性，為提高鉆井作業(yè)的安全性和效率提供了有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：石油鉆井；快速組網(wǎng)；ZigBee技術(shù)；低功耗設(shè)計；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

中圖分類號：TP39" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）23-0075-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

在石油鉆井作業(yè)中，通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到生產(chǎn)效率和實(shí)時數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳情況。鉆井隊(duì)通常需要在短時間內(nèi)完成設(shè)備的安裝和調(diào)試，確保各設(shè)備之間高效通信。此外，鉆井現(xiàn)場環(huán)境條件極為惡劣，常常面臨高溫、高寒、潮濕、粉塵和電磁干擾等多種不利因素，這些都對通信網(wǎng)絡(luò)的性能提出了更高的要求。此時，ZigBee作為一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗無線通信技術(shù)，憑借其低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高等優(yōu)勢，逐漸成為實(shí)現(xiàn)石油鉆井隊(duì)快速組網(wǎng)的理想選擇[1]。這對于頻繁搬遷的石油鉆井隊(duì)來說，意味著可以在最短的時間內(nèi)恢復(fù)通信網(wǎng)絡(luò)，避免因網(wǎng)絡(luò)中斷而造成生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法遠(yuǎn)傳的情況。通過本研究，期望能夠?yàn)殂@井隊(duì)提供一種高效、可靠的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案，助力解決傳統(tǒng)通信方式所面臨的難題，推動石油行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到鉆井隊(duì)作業(yè)環(huán)境的特殊性，需設(shè)計兼具靈活性和擴(kuò)展性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee技術(shù)支持多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如星形、樹形和網(wǎng)狀（Mesh） 。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)因其良好的自組織能力和魯棒性，在本方案中被優(yōu)先考慮。在這種結(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點(diǎn)都可以與多個鄰居節(jié)點(diǎn)通信，形成一個多路徑的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)，首先對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)，每個分區(qū)包含一個或多個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作為路由節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)部署初期，通過ZigBee的關(guān)聯(lián)過程，節(jié)點(diǎn)自動尋找并連接到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，形成一個自組織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用基于AODV（Ad-hoc On-Demand Distance Vector） 的路由協(xié)議，使得節(jié)點(diǎn)能夠在無需預(yù)先配置路由信息的情況下，動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和維護(hù)到目的節(jié)點(diǎn)的路由[2]。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它會廣播一個路由請求（RREQ） 包，鄰居節(jié)點(diǎn)收到后，根據(jù)自己的路由表和鄰居信息，決定是否轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ包。如此往復(fù)，直到找到目的節(jié)點(diǎn)或到達(dá)最大跳數(shù)。目的節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，會沿著原路徑發(fā)送路由應(yīng)答（RREP） 包，從而建立一條從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路由。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要特別考慮網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。通過引入簇樹（Cluster-Tree） 結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭（Cluster Head） 負(fù)責(zé)管理。簇頭節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)收集本簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，還負(fù)責(zé)與上級簇頭或Sink節(jié)點(diǎn)通信。這種分級結(jié)構(gòu)使得新節(jié)點(diǎn)的加入變得更加簡單，只需與最近的簇頭節(jié)點(diǎn)建立連接，即可融入網(wǎng)絡(luò)。

2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化

2.1 輕量化節(jié)點(diǎn)設(shè)計

考慮到鉆井隊(duì)的特殊需求，ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計必須注重體積小、重量輕、易于安裝和拆卸。在硬件選型方面，選用低功耗、小尺寸的STM32L系列微控制器（MCU） 作為核心處理單元。為了滿足無線通信需求，采用2.4GHz頻段的ZigBee射頻芯片，以減輕節(jié)點(diǎn)整體重量。在電路設(shè)計方面，采用多層PCB布局，將元器件布局緊湊，減少走線長度，從而降低電路板面積。同時，對關(guān)鍵元器件進(jìn)行三防處理，包括涂覆三防漆、選用防水防塵等級較高的連接器等，以提高節(jié)點(diǎn)的環(huán)境適應(yīng)能力。所有元器件均采用表面貼裝技術(shù)（SMT） 進(jìn)行焊接，這不僅使得組裝過程更加自動化，還使元器件更加牢固地附著于PCB板上，減少因振動或沖擊導(dǎo)致的松動或脫落現(xiàn)象，確保節(jié)點(diǎn)在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮到鉆井隊(duì)的電源供應(yīng)條件，設(shè)計寬電壓輸入范圍的電源模塊，支持直流9—36V輸入，以滿足不同電源環(huán)境的需求。同時，采用開關(guān)電源技術(shù)，提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低功耗。為了進(jìn)一步減輕節(jié)點(diǎn)重量，采用輕質(zhì)鋰電池作為備用電源，在斷電情況下為節(jié)點(diǎn)提供至少24h的持續(xù)工作時間，保證節(jié)點(diǎn)在主電源故障時能夠正常工作。

2.2 信道規(guī)劃

在鉆井隊(duì)的作業(yè)環(huán)境中，無線電信號的傳播受到諸多因素的影響，如鉆井設(shè)備的金屬結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的地形地貌以及各種電磁干擾源[3]。為了確保ZigBee網(wǎng)絡(luò)在這樣復(fù)雜環(huán)境下的通信穩(wěn)定性和可靠性，采用一種基于實(shí)時信道狀態(tài)監(jiān)測的動態(tài)信道規(guī)劃方法，綜合考慮信道質(zhì)量指標(biāo)[CQI]、信道干擾等級[CIL]和信道占用率[COR]。首先對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，排除異常值，然后計算每個信道的[CQI]，如式（1） 所示：

[CQI=RSSI-NM] （1）

其中，[RSSI]是接收信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator） ，它表示接收到的無線信號的強(qiáng)度；[N]是噪聲水平（Noise Level） ，它表示接收到的背景噪聲的強(qiáng)度；[M]是誤碼率（Bit Error Rate） 的影響因子，用于量化信號質(zhì)量對通信可靠性的影響。[CQI]的值越高，表示信道的質(zhì)量越好，通信的穩(wěn)定性和可靠性越高。

接著，通過分析相鄰信道的干擾情況，確定[CIL]，以避免同道干擾和鄰道干擾。信道干擾等級[CIL]的計算公式，如式（2） 所示：

[CIL=i=1nIiIth] （2）

其中，[Ii]是第[i]個相鄰信道的干擾強(qiáng)度；[Ith]是干擾閾值，即能夠容忍的最大干擾強(qiáng)度；[n]是相鄰信道的數(shù)量。[CIL]值越大，表示信道受到的干擾越嚴(yán)重，需要考慮切換信道以避免同道干擾和鄰道干擾。最后，根據(jù)[COR]選擇空閑度較高的信道進(jìn)行通信。信道占用率[COR]的計算公式，如式（3） 所示：

[COR=NoccNtotal] （3）

其中，[Nocc]是信道被占用的時間（或數(shù)據(jù)包數(shù)量） ；[Ntotal]是總的監(jiān)測時間（或數(shù)據(jù)包總數(shù)） 。[COR]的值范圍在0到1之間，其中0表示信道完全空閑，1表示信道完全被占用。通過這種方式，可以確保ZigBee網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境下能夠有效地避免干擾，同時最大化利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高整體通信性能。

為了進(jìn)一步提高信道規(guī)劃的靈活性和適應(yīng)性，引入多信道技術(shù)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，允許節(jié)點(diǎn)在不同信道上進(jìn)行通信，這樣可以在一個信道受到干擾時，快速切換到另一個信道。進(jìn)一步地，利用頻分復(fù)用（FDM） 技術(shù)，將2.4GHz頻段劃分為若干個子信道，每個子信道分配給不同的通信簇。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)控本簇內(nèi)信道的通信質(zhì)量，并在必要時發(fā)起信道切換。切換過程中，簇頭節(jié)點(diǎn)會通過廣播方式通知簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)更新通信信道，確保整個網(wǎng)絡(luò)的同步。

3 低功耗設(shè)計

鑒于鉆井隊(duì)可能面臨電源供應(yīng)不穩(wěn)定的問題，ZigBee技術(shù)的低功耗特性顯得尤為關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee功耗管理框架，該框架主要包括動態(tài)電源管理（Dynamic Power Management， DPM） 和動態(tài)頻率調(diào)整（Dynamic Frequency Adjustment， DFA） 兩大核心技術(shù)。

在DPM機(jī)制下，ZigBee節(jié)點(diǎn)利用內(nèi)置的能耗監(jiān)測算法，實(shí)時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)傳輸空閑期時，節(jié)點(diǎn)自動切換至深度睡眠模式，此時的電流消耗可降至約1μA，極大地延長電池壽命[4]。一旦有新的數(shù)據(jù)包到達(dá)或需發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可在幾毫秒內(nèi)快速喚醒，恢復(fù)正常工作狀態(tài)。在DFA方面，引入自適應(yīng)跳頻算法，根據(jù)當(dāng)前信道質(zhì)量動態(tài)調(diào)整射頻模塊的工作頻率，避免因固定頻率傳輸導(dǎo)致的信號衰減和干擾問題。自適應(yīng)跳頻算法的計算公式，如式（4） 所示：

[Fnew=argminf∈F（a?RSSI（f）+（1-a）?BER（f））] （4）

其中，[Fnew]表示新選擇的頻率；[F]是可用頻率的集合；[RSSI（f）]是頻率[f]上的接收信號強(qiáng)度指示；[BER（f）]是頻率[f]上的誤碼率；[a]是一個權(quán)重因子，通常取值在0.5到0.8之間。具體而言，通過監(jiān)測信道的質(zhì)量指標(biāo)，如接收信號強(qiáng)度指示（[RSSI]） 和誤碼率（[BER]） ，來決定是否需要跳頻。當(dāng)信道的[RSSI]低于預(yù)設(shè)閾值（例如-85dBm） 或[BER]超過一定比例（例如1%） 時，節(jié)點(diǎn)將自動切換到另一個較少干擾的頻道繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，整個過程幾乎無縫，不影響用戶體驗(yàn)。

在此基礎(chǔ)上，實(shí)施數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化策略，進(jìn)一步降低能耗并提高通信效率。首先，通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的大小來減少射頻模塊的激活時間。具體而言，將數(shù)據(jù)包的大小從默認(rèn)的128字節(jié)減少至64字節(jié)，以減少每次傳輸所需的時間，降低由于傳輸失敗而重發(fā)的概率，進(jìn)而減少總的能耗。其次，利用ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的批量傳輸。具體做法是，在節(jié)點(diǎn)從深度睡眠模式喚醒時，盡可能多地收集待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并一次性發(fā)送出去，以減少節(jié)點(diǎn)的喚醒次數(shù)。為此，采用基于優(yōu)先級的數(shù)據(jù)緩存算法，根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性和緊急程度對其進(jìn)行排序，確保在每次傳輸時優(yōu)先發(fā)送最重要的數(shù)據(jù)[5]。數(shù)據(jù)包優(yōu)先級[Pi]的計算公式，如式（5） 所示：

[Pi=ω1?Ii+ω2?Ui] （5）

其中，[Ii]表示第[i]個數(shù)據(jù)包的重要性，取值范圍為0到1，1表示最高重要性；[Ui]表示第[i]個數(shù)據(jù)包的緊急程度，取值范圍為0到1，1表示最緊急；[ω1]和[ω2]是權(quán)重因子，用于平衡重要性和緊急程度的影響。當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到有足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)（例如，達(dá)到緩存區(qū)的75%容量，即150字節(jié)） 或達(dá)到預(yù)設(shè)的時間間隔（如每10min一次） ，節(jié)點(diǎn)將自動喚醒并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸，從而在保持高效通信的同時，顯著降低能耗，適應(yīng)石油鉆井隊(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證ZigBee技術(shù)在石油鉆井隊(duì)快速組網(wǎng)中的應(yīng)用效果，選取一處典型的石油鉆井現(xiàn)場作為實(shí)驗(yàn)場地，該場地包含2部70型電動鉆機(jī)、2組泥漿罐以及各類傳感監(jiān)測設(shè)備。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要采用CC2652P SoC協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化和管理；網(wǎng)關(guān)則使用Raspberry Pi 4 Model B，配備4GB RAM和64GB microSD卡，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，通過USB接口與協(xié)調(diào)器連接，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺服務(wù)器。后臺服務(wù)器采用Dell PowerEdge R740，配備雙路Intel Xeon Gold 6248R處理器、128GB RAM和2TB SSD，運(yùn)行Windows Server 2019操作系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)置多種測試場景，包括正常工作狀態(tài)、電源故障狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)干擾狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)按照預(yù)設(shè)的時間間隔（如每10 min一次） 采集并傳輸數(shù)據(jù)；在電源故障狀態(tài)下，切斷部分節(jié)點(diǎn)的主電源，測試備用鋰電池能否確保節(jié)點(diǎn)的正常工作；在網(wǎng)絡(luò)干擾狀態(tài)下，則引入人為的電磁干擾源，模擬實(shí)際工作中可能遇到的干擾情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

經(jīng)過連續(xù)72 h不間斷操作后，系統(tǒng)未出現(xiàn)任何異常情況，節(jié)點(diǎn)間的通信保持高度穩(wěn)定，平均通信延遲為37 ms，證明本設(shè)計不僅具備良好的短期適應(yīng)能力，而且具有出色的長期運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出較為優(yōu)秀的擴(kuò)展性，支持快速添加或移除設(shè)備，無需中斷現(xiàn)有服務(wù)，能夠極大地提高現(xiàn)場操作的靈活性和效率。

5 結(jié)束語

綜上所述，ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)殂@井隊(duì)提供一種高效、低成本的無線通信解決方案。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，預(yù)計ZigBee技術(shù)將在石油鉆井行業(yè)中發(fā)揮更加重要的作用，不僅限于現(xiàn)有的應(yīng)用場景，還有可能拓展到更廣泛的領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測、人員安全保護(hù)等。因此，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些方面的技術(shù)策略，同時加強(qiáng)跨學(xué)科合作，推動ZigBee技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

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