基于ZigBee技術的油田示功參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
隨著全球經濟的穩(wěn)步發(fā)展，石油的在人們生產、生活中的應用越來越廣，石油的需求量也與日俱增。人們對石油的生產更加關切。目前，油田現(xiàn)場采集、監(jiān)控一般采用傳感器進行數(shù)據的采集，然后將信號通過電纜傳送到控制中心加以處理。油田現(xiàn)場所處環(huán)境偏遠惡劣、地勢復雜，油井分布廣、數(shù)量多，鋪設固定通信線路成本高、線路長、設備造價高、投資大等特點，制約了油田的生產監(jiān)控。本文提出將ZigBee技術應用在油田監(jiān)控中。

1 ZigBee技術簡介
近年來，隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC)、傳感、嵌入式計算、網絡和通信等方面的飛速發(fā)展，無線傳感網絡(WSN)以其成本低、組網靈活、受地理環(huán)境限制少等優(yōu)點，在許多領域都展示了廣闊的應用前景。ZigBee技術利用全球共用的公共頻率2．4GHz，具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)控網絡最有前景的技術之一。與傳統(tǒng)無線技術相比(見表1)，ZigBee的特點主要表現(xiàn)以下幾個方面：
(1)低功耗。待機模式，2節(jié)AAA干電池可支持1個節(jié)點工作0．5~1年。
(2)低成本。協(xié)議大幅簡化，免執(zhí)照頻段，免協(xié)議專利費。
(3)低速率。250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始數(shù)據吞吐率。
(4)近距離。傳輸范圍為10～75m，提高RF發(fā)射功率，可增加到1～3km。
(5)網絡容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet，可組成65000個節(jié)點大網。
(6)短時延。ZigBeen響應速度快，睡眠轉入工作狀態(tài)需15ms，節(jié)點連接入網需30ms。
(7)安全性能高。提供三級安全模式：無安全設定、接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數(shù)據及采用AES－128對稱密碼。

2 系統(tǒng)總體方案
加速度傳感器、載荷傳感器定時收集各井口的示功參數(shù)，在ARM處理器控制下，通過ZigBee無線?？欤贗EEE802．15．4技術標準的支持下，由ZigBee網絡發(fā)送到ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調器，經衛(wèi)星或GPRS網絡將數(shù)據發(fā)送至控制中心，及時掌握采油現(xiàn)場的工作參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據的匯總、整理與分析，并及時對終端下達控制命令，調整生產。
該系統(tǒng)分數(shù)據采集終端、Zi gBee無線路由器、ZigBee／WN協(xié)調器、控制中心四個部分。油田監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1示。 圖一油田監(jiān)控系統(tǒng)架構

系統(tǒng)由三級WN組成，結構簡單、性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)。低功耗為該系統(tǒng)突出表現(xiàn)。ZigBee無線網絡采用的是2．4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無需申請的ISM頻段。該頻段(2．4~2．483GHz)被劃為16個信道，數(shù)據傳輸速率250kb／s，碼元速率為62．5kbaud，采用16進制正交調制，用碼片長度為8的偽隨機碼直接擴頻。GPRS傳輸速度為56~115Kb／s。與GPRS網絡結合使用，可以滿足ZigBee網絡傳輸數(shù)據的需求，可以減少系統(tǒng)建設初期的投資費用，減輕網絡運行維護工作量，使油井示功參數(shù)及時、準確地傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)通過ZigBee和GPRS兩種無線網絡的連接，實現(xiàn)實時監(jiān)控，對油田出現(xiàn)的問題及時發(fā)現(xiàn)和處理。