ZigBee技術在石油鉆井隊快速組網中的應用與優(yōu)化

摘要：針對長慶區(qū)域鉆井隊拆搬安頻率日益增高，且作業(yè)環(huán)境多位于偏遠野外地區(qū)、缺乏穩(wěn)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(guī)劃與優(yōu)化（輕量化節(jié)點設計、信道規(guī)劃） 、低功耗設計等。在此基礎上，通過構建正常工作狀態(tài)、電源故障狀態(tài)和網絡干擾狀態(tài)等多種測試場景，驗證其高可靠性、強抗干擾能力和優(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支持。

關鍵詞：石油鉆井；快速組網；ZigBee技術；低功耗設計；網絡優(yōu)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(yè)中，通信網絡的穩(wěn)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(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(yōu)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(tǒng)通信方式所面臨的難題，推動石油行業(yè)的數字化轉型。

1 網絡拓撲結構設計

考慮到鉆井隊作業(yè)環(huán)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(yōu)先考慮。在這種結構中，每個節(jié)點都可以與多個鄰居節(jié)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(qū)，每個分區(qū)包含一個或多個關鍵節(jié)點，這些關鍵節(jié)點作為路由節(jié)點，負責數據的接收、處理和轉發(fā)。在網絡部署初期，通過ZigBee的關聯(lián)過程，節(jié)點自動尋找并連接到網絡中的其他節(jié)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(xié)議，使得節(jié)點能夠在無需預先配置路由信息的情況下，動態(tài)地發(fā)現和維護到目的節(jié)點的路由[2]。當源節(jié)點需要發(fā)送數據時，它會廣播一個路由請求（RREQ） 包，鄰居節(jié)點收到后，根據自己的路由表和鄰居信息，決定是否轉發(fā)該RREQ包。如此往復，直到找到目的節(jié)點或到達最大跳數。目的節(jié)點收到RREQ后，會沿著原路徑發(fā)送路由應答（RREP） 包，從而建立一條從源節(jié)點到目的節(jié)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(jié)點不僅負責收集本簇內成員節(jié)點的數據，還負責與上級簇頭或Sink節(jié)點通信。這種分級結構使得新節(jié)點的加入變得更加簡單，只需與最近的簇頭節(jié)點建立連接，即可融入網絡。

2 網絡規(guī)劃與優(yōu)化

2.1 輕量化節(jié)點設計

考慮到鉆井隊的特殊需求，ZigBee節(jié)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(jié)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(jié)點的環(huán)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(jié)點在惡劣環(huán)境下能夠長期穩(wěn)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(huán)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(jié)點重量，采用輕質鋰電池作為備用電源，在斷電情況下為節(jié)點提供至少24h的持續(xù)工作時間，保證節(jié)點在主電源故障時能夠正常工作。

2.2 信道規(guī)劃

在鉆井隊的作業(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(huán)境下的通信穩(wěn)定性和可靠性，采用一種基于實時信道狀態(tài)監(jiān)測的動態(tài)信道規(guī)劃方法，綜合考慮信道質量指標[CQI]、信道干擾等級[CIL]和信道占用率[COR]。首先對監(jiān)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(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(jiān)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(huán)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(guī)劃的靈活性和適應性，引入多信道技術。在ZigBee網絡中，允許節(jié)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(jié)點負責監(jiān)控本簇內信道的通信質量，并在必要時發(fā)起信道切換。切換過程中，簇頭節(jié)點會通過廣播方式通知簇內其他節(jié)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(wěn)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(tài)電源管理（Dynamic Power Management， DPM） 和動態(tài)頻率調整（Dynamic Frequency Adjustment， DFA） 兩大核心技術。

在DPM機制下，ZigBee節(jié)點利用內置的能耗監(jiān)測算法，實時監(jiān)控網絡負載狀況，當檢測到數據傳輸空閑期時，節(jié)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(fā)送數據，節(jié)點可在幾毫秒內快速喚醒，恢復正常工作狀態(tài)。在DFA方面，引入自適應跳頻算法，根據當前信道質量動態(tài)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(jiān)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(jié)點將自動切換到另一個較少干擾的頻道繼續(xù)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(yōu)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(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(jié)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(fā)送出去，以減少節(jié)點的喚醒次數。為此，采用基于優(yōu)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(yōu)先發(fā)送最重要的數據[5]。數據包優(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(jié)點檢測到有足夠數量的數據（例如，達到緩存區(qū)的75%容量，即150字節(jié)） 或達到預設的時間間隔（如每10min一次） ，節(jié)點將自動喚醒并執(zhí)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(huán)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(jiān)測設備。實驗設備主要采用CC2652P SoC協(xié)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(tǒng)，通過USB接口與協(xié)調器連接，將ZigBee網絡的數據轉發(fā)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(tǒng)，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(tài)、電源故障狀態(tài)和網絡干擾狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)下，節(jié)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(tài)下，切斷部分節(jié)點的主電源，測試備用鋰電池能否確保節(jié)點的正常工作；在網絡干擾狀態(tài)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(xù)72 h不間斷操作后，系統(tǒng)未出現任何異常情況，節(jié)點間的通信保持高度穩(wěn)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(wěn)定性。此外，基于ZigBee技術構建的網絡展現出較為優(yōu)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(lián)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(yè)中發(fā)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(huán)境監(jiān)測、人員安全保護等。因此，后續(xù)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(xù)創(chuàng)新與發(fā)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(guī)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(lián)網傳感系統(tǒng)[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(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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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