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

鑒于無線傳感器節(jié)點是在戶外工作，更換電池不太容易，且減小節(jié)點體積，所以采用可充電鋰離子鈕扣電池供電。一些傳感器電路的工作電流較強，因此應(yīng)該采用突發(fā)式工作的方式，即在需要采集數(shù)據(jù)時才打開傳感電路工作，從而降低能耗。由于一般的傳感器都不具備休眠模式，因此最方便的辦法是控制傳感器的電源開關(guān)，實現(xiàn)對傳感器的狀態(tài)控制。對于僅需要小電池驅(qū)動的傳感器，可以考慮直接采用MCU的I／O端口作為供電電源，這種控制方式簡單而靈活； 對于需要大電流驅(qū)動的傳感器，宜采用漏電流較小的開關(guān)場效應(yīng)管控制傳感器的供電。

4 軟件設(shè)計
整個無線通信程序包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個部分。發(fā)射過程由軟件寫數(shù)據(jù)到TX／RX幀緩存器，這些數(shù)據(jù)和某些參數(shù)例如目的地地址和容許重測次數(shù)一起被傳送，對協(xié)議定時器進行編程來標明發(fā)送數(shù)據(jù)幀時刻。這個時刻由被跟蹤協(xié)議高層的軟件所決定，一旦信息包被準備好和協(xié)議定時設(shè)定好，管控方將控制其傳輸。當信息按照預(yù)定時刻到達，管控方控制無線電和調(diào)制解調(diào)器時序來執(zhí)行需求傳輸類型。它可以按照IEEE 802．15．4標準要求在沒有處理器介入(包括要求重新測試和隨機backoffs)執(zhí)行全部的工作步驟。
當傳輸開始時，數(shù)據(jù)幀標頭是根據(jù)軟件編排的參數(shù)而創(chuàng)立，通過將數(shù)據(jù)串行化到調(diào)制解調(diào)器發(fā)射出去。同時無線電準備傳輸，在從bits-tream到調(diào)制解調(diào)器的通道中，它經(jīng)過一個CRC(循環(huán)冗余碼校驗)通過在運行時進行校驗計算的校驗產(chǎn)生器，把它加到數(shù)據(jù)幀的末尾。
如利用跟蹤訪問，在傳輸時定位跟蹤有可能超過定時，基本頻帶處理器會自發(fā)地處理這種情況并通過中斷方式來通知協(xié)議軟件，這顯然比當超時時再要求處理更好一點。
接收時，無線電接收裝置在一個特別頻道來接收。一收到來自調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀被直接轉(zhuǎn)換成TX／RX幀放在緩沖器內(nèi)，在那里幀首和數(shù)據(jù)可以被協(xié)議軟件閱讀出來。一收到幀標題可能會產(chǎn)生一個中斷。正如數(shù)據(jù)幀來源于經(jīng)過校驗發(fā)生器的調(diào)制解調(diào)器，在接收端末端的校驗結(jié)果同整個信息末端相比較，來確定最后接收的數(shù)據(jù)是正確的。
接收過程中，Modem要確認接收連接質(zhì)量，確保接收最后結(jié)果可利用的，讓它符合802．15．4標準要求。終端節(jié)點以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖6所示。

5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點性能測試
測試時讓兩個節(jié)點互發(fā)數(shù)據(jù)，且兩節(jié)點間無任何障礙物，測試節(jié)點接收靈敏度。這里還需要考慮通信時延的問題，時延包括協(xié)議棧時延和空中傳播的時延，空中傳播時延可以忽略不計，因此主要考慮協(xié)議棧時延。協(xié)議棧時延從發(fā)送消息函數(shù)開始到無線目標實際開始物理發(fā)射為止。由于條件有限，無法做出實際的結(jié)果。但是一般的情況下，協(xié)議棧發(fā)射時延約為550μs，接收時延約為600μs。

6 結(jié)論
本文利用Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計一套油田井口無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，成功地解決了油田井口數(shù)據(jù)采集困難的問題，實現(xiàn)了油田生產(chǎn)管理和油井、管線維護監(jiān)控的信息化、自動化，極大地提高了工作效率，降低網(wǎng)絡(luò)組建和運行的成本。