基于ZigBee的油井無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針時當代油田井口數(shù)據(jù)采集困難以及現(xiàn)場監(jiān)測工作困難的現(xiàn)狀，應用ZigBee技術(shù)設(shè)計了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實現(xiàn)對油田數(shù)據(jù)的采集，以及對油田實時監(jiān)控管理。其中無線傳感器選用JN5139芯片作為主控芯片來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點，并且編寫了芯片相應的控制程序。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點測試，系統(tǒng)滿足靈敏度設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)采集；實時監(jiān)控；JN5139

據(jù)了解，一個油田的生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)非常復雜，一個油田的采油場由多口油井以及其他分散設(shè)施組成。鑒于油井數(shù)量眾多，而且分布的范圍也由幾十平方公里擴展到上百平方公里，交通條件往往十分惡劣，而且自然環(huán)境也十分惡劣，晝夜溫差極大，直接導致對井口數(shù)據(jù)采集以及對現(xiàn)場監(jiān)測的工作難度增加。后來隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了應用GPRS，GSM，藍牙(Bluetooth)技術(shù)來采集這些數(shù)據(jù)的方法，但是經(jīng)過一些油田的使用發(fā)現(xiàn)也存在一些問題。例如這些設(shè)備造價昂貴，維護和運營費用高。針對此種情況，本文采用了ZigBee技術(shù)來設(shè)計了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實現(xiàn)油田數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控管理。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、通信協(xié)議和節(jié)點布置
油井無線數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖1所示。

1．1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)
1)單個油井的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 這一小的無線網(wǎng)絡(luò)主要由布置在油井各位置的無線傳感器組成，主要采集油井的脈沖、載荷、出油口的溫度和壓力。無線傳感器由相應的傳感器結(jié)合ZigBee模塊開發(fā)，無線通訊距離小于100 m，傳感器和油井的數(shù)據(jù)采集控制器之間互相組成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)。全部的數(shù)據(jù)最終集中到數(shù)據(jù)采集器中進行處理和計算，然后數(shù)據(jù)將通過另一無線網(wǎng)絡(luò)上傳。
2)油井間的無線網(wǎng)絡(luò) 這一網(wǎng)絡(luò)由油井間的數(shù)據(jù)集中控制器組成，數(shù)據(jù)集中控制器在系統(tǒng)中充當了網(wǎng)關(guān)的功能，將單個油井的數(shù)據(jù)進行整理后再通過油井間的無線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)集中控制器采用短距離的無線模塊(通訊距離小于100 m)結(jié)合大功率無線模塊(通訊距離小于1 000 m)開發(fā)，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)段傳輸。
3)監(jiān)控中心 監(jiān)控中心采用相應的PC服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析和存儲。管理人員可以隨時了解各油井的工作情況和產(chǎn)量。
1．2 通信協(xié)議
IEEE 802．15．4規(guī)定ZigBee協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)模式、目標地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)信息與校驗和5部分構(gòu)成，其格式如圖2所示。

“數(shù)據(jù)模式”、“目的地址”、“數(shù)據(jù)長度”各占用一個字節(jié)。其中，“目的地址”表示此幀要發(fā)送的目的位置，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點號；“數(shù)據(jù)長度”表示該幀中數(shù)據(jù)信息的長度；“數(shù)據(jù)信息”表示要傳送的命令或有效數(shù)據(jù)，它所占用的字節(jié)數(shù)由所發(fā)送的數(shù)據(jù)長度決定；“校驗和”也占用一個字節(jié)。