ZigBee技術在石油鉆井隊快速組網中的應用與優化

摘要：針對長慶區域鉆井隊拆搬安頻率日益增高，且作業環境多位于偏遠野外地區、缺乏穩定網絡基礎設施的現狀，如何在頻繁搬遷的鉆井隊中實現快速、可靠的網絡組建，成為亟待解決的關鍵問題。文章深入研究ZigBee技術在石油鉆井隊快速組網中的應用，包括網絡拓撲結構設計、網絡規劃與優化（輕量化節點設計、信道規劃） 、低功耗設計等。在此基礎上，通過構建正常工作狀態、電源故障狀態和網絡干擾狀態等多種測試場景，驗證其高可靠性、強抗干擾能力和優秀的自組織特性，為提高鉆井作業的安全性和效率提供了有力的技術支持。

關鍵詞：石油鉆井；快速組網；ZigBee技術；低功耗設計；網絡優化

中圖分類號：TP39" " " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）23-0075-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在石油鉆井作業中，通信網絡的穩定性和可靠性直接關系到生產效率和實時數據遠傳情況。鉆井隊通常需要在短時間內完成設備的安裝和調試，確保各設備之間高效通信。此外，鉆井現場環境條件極為惡劣，常常面臨高溫、高寒、潮濕、粉塵和電磁干擾等多種不利因素，這些都對通信網絡的性能提出了更高的要求。此時，ZigBee作為一種基于IEEE 802.15.4標準的短距離、低功耗無線通信技術，憑借其低成本、低功耗、網絡容量大、可靠性高等優勢，逐漸成為實現石油鉆井隊快速組網的理想選擇[1]。這對于頻繁搬遷的石油鉆井隊來說，意味著可以在最短的時間內恢復通信網絡，避免因網絡中斷而造成生產數據無法遠傳的情況。通過本研究，期望能夠為鉆井隊提供一種高效、可靠的無線網絡解決方案，助力解決傳統通信方式所面臨的難題，推動石油行業的數字化轉型。

1 網絡拓撲結構設計

考慮到鉆井隊作業環境的特殊性，需設計兼具靈活性和擴展性的網絡拓撲結構。ZigBee技術支持多種網絡結構，如星形、樹形和網狀（Mesh） 。ZigBee網絡拓撲結構如圖1所示。

其中，網狀網絡因其良好的自組織能力和魯棒性，在本方案中被優先考慮。在這種結構中，每個節點都可以與多個鄰居節點通信，形成一個多路徑的數據傳輸網絡。為了實現這一結構，首先對網絡進行分區，每個分區包含一個或多個關鍵節點，這些關鍵節點作為路由節點，負責數據的接收、處理和轉發。在網絡部署初期，通過ZigBee的關聯過程，節點自動尋找并連接到網絡中的其他節點，形成一個自組織的網狀結構。

在網絡拓撲結構設計中，采用基于AODV（Ad-hoc On-Demand Distance Vector） 的路由協議，使得節點能夠在無需預先配置路由信息的情況下，動態地發現和維護到目的節點的路由[2]。當源節點需要發送數據時，它會廣播一個路由請求（RREQ） 包，鄰居節點收到后，根據自己的路由表和鄰居信息，決定是否轉發該RREQ包。如此往復，直到找到目的節點或到達最大跳數。目的節點收到RREQ后，會沿著原路徑發送路由應答（RREP） 包，從而建立一條從源節點到目的節點的路由。

在網絡拓撲結構設計中，需要特別考慮網絡的擴展性。通過引入簇樹（Cluster-Tree） 結構，將網絡劃分為多個簇，每個簇由一個簇頭（Cluster Head） 負責管理。簇頭節點不僅負責收集本簇內成員節點的數據，還負責與上級簇頭或Sink節點通信。這種分級結構使得新節點的加入變得更加簡單，只需與最近的簇頭節點建立連接，即可融入網絡。

2 網絡規劃與優化

2.1 輕量化節點設計

考慮到鉆井隊的特殊需求，ZigBee節點的設計必須注重體積小、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，以減輕節點整體重量。在電路設計方面，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，對關鍵元器件進行三防處理，包括涂覆三防漆、選用防水防塵等級較高的連接器等，以提高節點的環境適應能力。所有元器件均采用表面貼裝技術（SMT） 進行焊接，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致的松動或脫落現象，確保節點在惡劣環境下能夠長期穩定運行。

考慮到鉆井隊的電源供應條件，設計寬電壓輸入范圍的電源模塊，支持直流9—36V輸入，以滿足不同電源環境的需求。同時，采用開關電源技術，提高電源轉換效率，降低功耗。為了進一步減輕節點重量，采用輕質鋰電池作為備用電源，在斷電情況下為節點提供至少24h的持續工作時間，保證節點在主電源故障時能夠正常工作。

2.2 信道規劃

在鉆井隊的作業環境中，無線電信號的傳播受到諸多因素的影響，如鉆井設備的金屬結構、復雜的地形地貌以及各種電磁干擾源[3]。為了確保ZigBee網絡在這樣復雜環境下的通信穩定性和可靠性，采用一種基于實時信道狀態監測的動態信道規劃方法，綜合考慮信道質量指標[CQI]、信道干擾等級[CIL]和信道占用率[COR]。首先對監測到的數據進行預處理，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]是接收信號強度指示（Received Signal Strength Indicator） ，它表示接收到的無線信號的強度；[N]是噪聲水平（Noise Level） ，它表示接收到的背景噪聲的強度；[M]是誤碼率（Bit Error Rate） 的影響因子，用于量化信號質量對通信可靠性的影響。[CQI]的值越高，表示信道的質量越好，通信的穩定性和可靠性越高。

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度；[Ith]是干擾閾值，即能夠容忍的最大干擾強度；[n]是相鄰信道的數量。[CIL]值越大，表示信道受到的干擾越嚴重，需要考慮切換信道以避免同道干擾和鄰道干擾。最后，根據[COR]選擇空閑度較高的信道進行通信。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（或數據包數量） ；[Ntotal]是總的監測時間（或數據包總數） 。[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網絡在復雜環境下能夠有效地避免干擾，同時最大化利用網絡資源，提高整體通信性能。

為了進一步提高信道規劃的靈活性和適應性，引入多信道技術。在ZigBee網絡中，允許節點在不同信道上進行通信，這樣可以在一個信道受到干擾時，快速切換到另一個信道。進一步地，利用頻分復用（FDM） 技術，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。簇頭節點負責監控本簇內信道的通信質量，并在必要時發起信道切換。切換過程中，簇頭節點會通過廣播方式通知簇內其他節點更新通信信道，確保整個網絡的同步。

3 低功耗設計

鑒于鉆井隊可能面臨電源供應不穩定的問題，ZigBee技術的低功耗特性顯得尤為關鍵。為了實現這一目標，采用基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee功耗管理框架，該框架主要包括動態電源管理（Dynamic Power Management， DPM） 和動態頻率調整（Dynamic Frequency Adjustment， DFA） 兩大核心技術。

在DPM機制下，ZigBee節點利用內置的能耗監測算法，實時監控網絡負載狀況，當檢測到數據傳輸空閑期時，節點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]。一旦有新的數據包到達或需發送數據，節點可在幾毫秒內快速喚醒，恢復正常工作狀態。在DFA方面，引入自適應跳頻算法，根據當前信道質量動態調整射頻模塊的工作頻率，避免因固定頻率傳輸導致的信號衰減和干擾問題。自適應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]上的接收信號強度指示；[BER（f）]是頻率[f]上的誤碼率；[a]是一個權重因子，通常取值在0.5到0.8之間。具體而言，通過監測信道的質量指標，如接收信號強度指示（[RSSI]） 和誤碼率（[BER]） ，來決定是否需要跳頻。當信道的[RSSI]低于預設閾值（例如-85dBm） 或[BER]超過一定比例（例如1%） 時，節點將自動切換到另一個較少干擾的頻道繼續傳輸數據，整個過程幾乎無縫，不影響用戶體驗。

在此基礎上，實施數據傳輸優化策略，進一步降低能耗并提高通信效率。首先，通過調整數據包的大小來減少射頻模塊的激活時間。具體而言，將數據包的大小從默認的128字節減少至64字節，以減少每次傳輸所需的時間，降低由于傳輸失敗而重發的概率，進而減少總的能耗。其次，利用ZigBee的網絡層功能，實現數據包的批量傳輸。具體做法是，在節點從深度睡眠模式喚醒時，盡可能多地收集待傳輸的數據，并一次性發送出去，以減少節點的喚醒次數。為此，采用基于優先級的數據緩存算法，根據數據的重要性和緊急程度對其進行排序，確保在每次傳輸時優先發送最重要的數據[5]。數據包優先級[Pi]的計算公式，如式（5） 所示：

[Pi=ω1?Ii+ω2?Ui] （5）

其中，[Ii]表示第[i]個數據包的重要性，取值范圍為0到1，1表示最高重要性；[Ui]表示第[i]個數據包的緊急程度，取值范圍為0到1，1表示最緊急；[ω1]和[ω2]是權重因子，用于平衡重要性和緊急程度的影響。當節點檢測到有足夠數量的數據（例如，達到緩存區的75%容量，即150字節） 或達到預設的時間間隔（如每10min一次） ，節點將自動喚醒并執行數據傳輸，從而在保持高效通信的同時，顯著降低能耗，適應石油鉆井隊復雜多變的工作環境。

4 應用實驗

4.1 實驗準備

為了驗證ZigBee技術在石油鉆井隊快速組網中的應用效果，選取一處典型的石油鉆井現場作為實驗場地，該場地包含2部70型電動鉆機、2組泥漿罐以及各類傳感監測設備。實驗設備主要采用CC2652P SoC協調器，負責網絡的初始化和管理；網關則使用Raspberry Pi 4 Model B，配備4GB RAM和64GB microSD卡，運行Linux操作系統，通過USB接口與協調器連接，將ZigBee網絡的數據轉發至后臺服務器。后臺服務器采用Dell PowerEdge R740，配備雙路Intel Xeon Gold 6248R處理器、128GB RAM和2TB SSD，運行Windows Server 2019操作系統，用于數據的存儲、處理和分析。

4.2 實驗結果

實驗過程中，設置多種測試場景，包括正常工作狀態、電源故障狀態和網絡干擾狀態。在正常工作狀態下，節點按照預設的時間間隔（如每10 min一次） 采集并傳輸數據；在電源故障狀態下，切斷部分節點的主電源，測試備用鋰電池能否確保節點的正常工作；在網絡干擾狀態下，則引入人為的電磁干擾源，模擬實際工作中可能遇到的干擾情況。實驗結果如表1所示。

經過連續72 h不間斷操作后，系統未出現任何異常情況，節點間的通信保持高度穩定，平均通信延遲為37 ms，證明本設計不僅具備良好的短期適應能力，而且具有出色的長期運行穩定性。此外，基于ZigBee技術構建的網絡展現出較為優秀的擴展性，支持快速添加或移除設備，無需中斷現有服務，能夠極大地提高現場操作的靈活性和效率。

5 結束語

綜上所述，ZigBee網絡能夠為鉆井隊提供一種高效、低成本的無線通信解決方案。未來，隨著物聯網技術的不斷進步和ZigBee標準的進一步完善，預計ZigBee技術將在石油鉆井行業中發揮更加重要的作用，不僅限于現有的應用場景，還有可能拓展到更廣泛的領域，如環境監測、人員安全保護等。因此，后續研究應重點關注這些方面的技術策略，同時加強跨學科合作，推動ZigBee技術及相關應用的持續創新與發展。

參考文獻：

[1] 陳錦洪，彭志榮，程洋.面向5G的智能配電網通信超密集組網規劃研究[J].自動化技術與應用，2024，43（8）：117-120，148.

[2] 吳海欣，肖蕾，李冠希，等.基于ZigBee的無線物聯網傳感系統[J].自動化與儀表，2024，39（6）：142-146，152.

[3] 李志偉.基于ZigBee技術的物品找尋系統中無線組網的設計與實現[J].信息記錄材料，2023，24（10）：83-85.

[4] 王秀明.基于無線傳感器網絡的油井監測系統組網的研究與實現[J].網絡安全技術與應用，2023（6）：79-81.

[5] 馬寧.基于網絡編碼的車載網數據傳輸策略研究[D].合肥：安徽大學，2016.

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