ZigBee無線傳感器網絡技術在油田信息采集系統(tǒng)中的

隨著“數字油田”建設的不斷推進，油田信息化建設得到了很大發(fā)展。各種生產信息系統(tǒng)的建立極大地方便了技術人員的日常工作，提高了安全生產的效率。數據自動化采集、信息處理將是建設“數字油田”乃至“智能油田”的必然趨勢。近些年，各種無線傳感器網絡和無線傳輸技術發(fā)展日趨成熟，為油田信息系統(tǒng)建設提供了又一種行之有效的技術手段。

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)技術是利用布置在無人值守的監(jiān)控區(qū)域內具有通信和運算能力的傳感器節(jié)點，自主完成對檢測對象的信息采集、感知等指定任務的技術。無線傳感器網絡是集傳感器技術、通信技術、嵌入式計算和分布式處理技術為一體，特別適合于油田點多面廣的應用場合。

1 系統(tǒng)網絡結構

以油田A為例，需為生產設備相對集中的“井群”設計無線傳輸方案。如圖1，湖灘分布著69口油井(淺黃色標記)和21口注水井(深綠色標記)。

針對現場需求和ZigBee無線傳感器網絡技術，考慮將溫壓儀、示功儀、雙壓儀節(jié)點作為“終端(End Device)”，負責采集信息以監(jiān)控油田生產設備，用電池供電;中轉節(jié)點作為“路由(Router)”轉發(fā)網絡中的信息;“協(xié)調器(Co-ordinator)”則安裝在各區(qū)塊的平臺上，并通過終端機與隊部中控室通信。路由和協(xié)調器均由市電供電。這樣就將5個油井區(qū)塊劃分為5個協(xié)調器短地址不同的ZigBee網絡。主站(協(xié)調器)負責啟動網絡，所有終端通過路由接入網絡，組成樹狀或網狀結構。上位機通過主站及其網絡便可實現命令的下發(fā)和數據的讀取。

通過Google Earth和現場測量，一般油井之間的距離在50米至100米。經測試，ZigBee節(jié)點間較大數據量(功圖數據，約為1 KB)的最大穩(wěn)定通信距離在50米左右，距離越遠傳輸效果越差，且通信時節(jié)點傳輸信道之間須盡可能無遮擋。因此可靠傳輸的關鍵在于“路由”型節(jié)點的合理布置。同時需解決兩個問題：一是因現場比較空曠，要保證“路由”型節(jié)點的安裝位置能提供可靠供電并滿足防汛要求;二是在軟件設計上，經過“路由”型節(jié)點透明傳輸的數據一旦丟失，則無法通過協(xié)議棧捕獲，而必須在數據接收端由上位機來判斷。

基于上述考慮，溫壓儀、示功儀、雙壓儀作為“終端”節(jié)點，中轉節(jié)點由原來的“路由”節(jié)點改為“協(xié)調器”，并與電量儀一起安裝在油井平臺的電機控制柜中。即每個油井平臺使用(或多個共用)一個中轉節(jié)點，每個中轉節(jié)點即代表一個獨立的個人局域網(PAN)，其附近的終端型節(jié)點為其子節(jié)點。中轉節(jié)點又作為網關，以433 MHz無線方式與主站(433 MHz數傳模塊)進行通信，當然5個區(qū)塊的433 MHz頻道各不相同，每個區(qū)塊作為一個獨立的網絡，各網絡間互不干擾。

基于Zigbee無線傳感器網絡的智能油田信息采集系統(tǒng)網絡結構如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器(終端)節(jié)點

綜合節(jié)點設計的各種需求，選擇Jennic的JN5139模塊作為節(jié)點的主控芯片，它是一款適用于IEEE802.15.4和ZigBee應用環(huán)境的低功耗、低成本微控制器，集成了32位RISC處理器(32MIPS)、2.4 GHz IEEE802.15.4無線收發(fā)器、192 kBROM、96kB RAM以及豐富的模擬數字外圍接口。節(jié)點硬件結構如圖3所示。

傳感器模塊包括傳感器和信號調制電路，示功儀傳感器為加速度ADXL202和載荷CL—YB—10M/15t，溫壓儀包括溫度PT100和壓力Honey well C13L型傳感器，雙壓儀的壓力傳感器同樣選擇Honeywell C13系列?！笆竟x采集的載荷”(或壓力)、“溫壓儀采集的溫度和壓力”以及“雙壓儀需要采集的壓力”對應的四種傳感器的原理基本相同，基本電路都是帶有特殊(熱敏或壓敏)電阻的電阻橋，由物理量變化引發(fā)電阻變化，導致電路輸出電壓的變化，輸出電壓視傳感器從幾毫伏到上百毫伏不等。JN5139芯片帶有4路12位ADC通道，對應的模擬電壓值范圍為0～2.4 V。傳感器到芯片ADC引腳之間用運算放大器對電壓信號進行放大，合理調節(jié)放大倍數，使得運放輸出的電壓在2.2 V左右，即留有一定裕量。時鐘模塊選用DS1302芯片，根據其時間值，程序發(fā)起采集和記錄數據。電源模塊也視節(jié)點而不同——終端節(jié)點包括4 000 mAh鋰電池、太陽能板及其充電電路。

2.2 中轉節(jié)點

中轉節(jié)點配有與傳感器節(jié)點相同的主控芯片，具有IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定的所有功能與特性，負責建立網絡、管理傳感器節(jié)點、儲存?zhèn)鞲衅鞴?jié)點信息，為消息進行路由選擇等功能。另外增加無線串口通信模塊與管理控制中心進行通信，中轉節(jié)點硬件結構如圖4所示。

中轉節(jié)點通過電量儀設備讀取電機的電參量，由AC220V供電，433 MHz串口透傳模塊使用SM55D無線串口通信模塊。與電量儀采用RS485接口進行數據通信。JN5139模塊有兩路UART接口，故將中轉節(jié)點JN5139模塊的UART1通過UART—RS485接口芯片與電量儀RS485接口相連。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要包括傳感器節(jié)點軟件設計、中轉節(jié)點軟件設計和管理控制中心軟件設計3部分。傳感器節(jié)點主要實現數據的采集和發(fā)送;中轉節(jié)點一方面負責網絡的配置和管理，另一方面收集各個傳感器節(jié)點發(fā)送的數據，將數據處理后轉發(fā)給管理控制中心。管理控制中心主要實現數據的儲存、實時顯示及數據分析與管理等功能。

3.1 傳感器節(jié)點軟件

傳感器節(jié)點程序的主要任務分為“采集數據”和“網絡響應”，前者是按照給定的時間間隔定時采樣，后者則包括“無線數據協(xié)議命令響應”和“ZigBee網絡協(xié)議棧事件處理”(包括入網、掉網等)，采用中斷處理方式。考慮片上系統(tǒng)(SOC)的單任務特性，可以將節(jié)點程序設計成“任務檢查制”——每次從休眠中醒來，初始化后，判斷是否要進行網絡響應，或根據時鐘時間判斷是否有采集任務，若空閑則進入休眠，休眠一定時間間隔后再次被喚醒，如此反復。