24XStream無線模塊在錄井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要：在錄井無線數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸采用無線方式，系統(tǒng)采用太陽能供電，一方面要保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，同時(shí)要降低系統(tǒng)功耗。本文的設(shè)計(jì)采用2.4GHz的XStream無線數(shù)傳電臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠傳輸。介紹了錄井無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案、無線電臺(tái)的選型和錄井無線數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議，并對(duì)電臺(tái)的功耗和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了測試。現(xiàn)場應(yīng)用表明，無線傳輸系統(tǒng)能夠低功耗、高可靠性的穩(wěn)定工作，完全滿足錄井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸要求。
關(guān)鍵詞：24XStream；錄井?dāng)?shù)據(jù)傳輸；低功耗；無線模塊

引言

　　在傳統(tǒng)的石油錄井工業(yè)中，數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸是采用“一對(duì)一”方式的RS-485總線傳輸，技術(shù)含量低、通用性差、可靠性低。近年來，基于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)傳輸方式得到發(fā)展，國內(nèi)外先后出現(xiàn)了基于現(xiàn)場總線（Lon Works、CAN等）的錄井儀器設(shè)備?，F(xiàn)場總線技術(shù)的使用一定程度上減小了布線工作量，但由于有線供電的需要，也無法大量減少布線。而且，必須在開鉆前鋪設(shè)好通訊線路和供電線路，在井場搬遷過程中拆卸和安裝工作量大，容易導(dǎo)致設(shè)備的損壞。特別是小型錄井儀，主要應(yīng)用于生產(chǎn)井，測量參數(shù)較少，鉆井周期較短，這樣傳感器的拆裝工作就顯得尤為繁瑣。根據(jù)小型錄井儀的應(yīng)用特點(diǎn)，將短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[1]引入錄井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，取代井場上工程參數(shù)短距離有線線纜傳輸，可以避免以上所述的各種弊端。

無線傳輸方式與無線電臺(tái)的選擇

　　在錄井工程中，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場情況的不同，現(xiàn)場傳感器與儀器房之間的距離在幾十米到幾百米不等，屬于短距離無線通信。目前可應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的短距離無線通信技術(shù)主要有：紅外線數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)、無線局域網(wǎng)802．11 h(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)、ZigBee和超寬帶無線電(UWD)等[2]，這些技術(shù)各有特點(diǎn)和適用范圍。

　　紅外線數(shù)據(jù)傳輸不受無線電干擾，不需要申請(qǐng)頻率，但它是一種視距傳輸，兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)、通視，中間不能有阻擋。由于井場上各傳感器的位置、距離等不確定，因此，不適合用于井場數(shù)據(jù)傳輸。

　　無線局域網(wǎng)802.11b技術(shù)是一種基于電磁波傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，使用2.4GHz ISM頻段。該通訊方式具有速率高(可達(dá)11 Mbit／s)、覆蓋范圍大(可達(dá)300 m)的特點(diǎn)，但是它的功耗過大，對(duì)于使用電池供電的錄井傳感器而言是個(gè)致命缺陷。

　　藍(lán)牙技術(shù)同樣是一種基于電磁波傳輸?shù)臒o線短距離通信技術(shù)，通信頻段亦為2.4GHz ISM頻段，可提供1 Mb/s傳輸速率和10米傳輸距離。

　　ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在2．4 GHz ISM公共頻段。有效覆蓋范圍10～75m之間，數(shù)據(jù)傳輸速率10kB/s～250kB/s。

　　超寬帶無線電是近年來發(fā)展迅猛的新型通信方式，它是基于沖激脈沖自身的寬頻譜特性，通過對(duì)具有特殊波形的沖激脈沖進(jìn)行調(diào)制獲得載有信息且符合頻帶要求的無線電信號(hào)。超寬帶無線電直接發(fā)射脈沖，不需中頻和射頻電路，有利于減小體積和降低能源消耗。

　　綜合考慮可靠性、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、低功耗和成本等各種因素，采用美國MaxStream公司的低功耗、高速無線數(shù)傳電臺(tái)24XStream，具有以下突出特點(diǎn)：工作頻率為2.4GHz，該頻段無授權(quán)限制，同時(shí)避免了同現(xiàn)場低頻信號(hào)及公用無線通信頻段的碰撞，傳輸可靠；使用時(shí)只要將DB9接口與PC或微處理器相連，通過串口向電臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，在另一端從電臺(tái)串口讀取數(shù)據(jù)就能實(shí)現(xiàn)無線通信；工業(yè)級(jí)產(chǎn)品工作溫度-40～85℃，可以滿足鉆井現(xiàn)場要求；傳輸距離在室內(nèi)或城市不接天線工作也能達(dá)到180m的傳輸距離，在室外空曠地區(qū)配以天線傳輸距離高達(dá)幾千米，可以滿足錄井現(xiàn)場的應(yīng)用條件要求。

錄井無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，將井場采集板和數(shù)傳電臺(tái)通過串口連接，采集的數(shù)據(jù)由測量節(jié)點(diǎn)發(fā)送到錄井儀器房。錄井儀器房主計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場無線采集傳輸節(jié)點(diǎn)之間的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的主從結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸量不大，由主計(jì)算機(jī)來按照一定的周期，通過指令依次巡檢各個(gè)現(xiàn)場無線采集傳輸模塊并收集數(shù)據(jù)。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
　　
錄井無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議

　　系統(tǒng)采用異步串行通信方式傳輸測量數(shù)據(jù)，錄井無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髁鞒檀笾氯缦拢?/p>

　　·儀器房主計(jì)算機(jī)發(fā)出命令，要求某個(gè)現(xiàn)場無線采集傳輸模塊采集信號(hào)并上傳數(shù)據(jù)；

　　·相應(yīng)的現(xiàn)場無線采集傳輸模塊接收到命令后采集被測參數(shù)信號(hào)并把處理后數(shù)據(jù)發(fā)送到主計(jì)算機(jī)；

　　·該現(xiàn)場無線采集傳輸模塊上傳數(shù)據(jù)之后進(jìn)入等待狀態(tài)，直到監(jiān)控計(jì)算機(jī)巡檢完所有的無線采集模塊后再次向該采集傳輸模塊發(fā)出命令。

　　系統(tǒng)是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，需要進(jìn)行數(shù)字電臺(tái)與單片機(jī)、終端主控機(jī)的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。

　　數(shù)傳電臺(tái)24XStream點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間有固有的通信協(xié)議，具有自己的幀格式標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所傳輸數(shù)據(jù)采用CRC校驗(yàn)。對(duì)用戶來說，數(shù)據(jù)傳輸是透明的[3]。用戶可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)要求，在外部再封裝一層自己的協(xié)議，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

　　本系統(tǒng)采取9600bit/S串口通信速率。單片機(jī)讀取到前端數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)打包、加幀頭、加校驗(yàn)碼和填充數(shù)據(jù)以構(gòu)成傳輸幀，而后將數(shù)據(jù)經(jīng)由串行口發(fā)送至無線傳輸電臺(tái)，在2.4GHz的頻段上調(diào)制后以9600bit/S的數(shù)據(jù)率進(jìn)行無線發(fā)射。

　　由于錄井?dāng)?shù)據(jù)采集與傳輸節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)有多個(gè)，而且在錄井過程中是同時(shí)在工作的，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，要實(shí)現(xiàn)輪循工作。賦予每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)地址，在每幀數(shù)據(jù)中引入了對(duì)每塊數(shù)據(jù)采集板的編號(hào)，即給每塊采集板賦予不同的地址，按地址循環(huán)訪問，構(gòu)成一個(gè)由一臺(tái)主機(jī)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的通信網(wǎng)絡(luò)[4]。上位機(jī)訪問節(jié)點(diǎn)時(shí)就發(fā)出相應(yīng)地址命令，下位機(jī)將數(shù)據(jù)封裝為一個(gè)幀，將地址字節(jié)作為該幀幀頭，上位機(jī)根據(jù)幀頭分離數(shù)據(jù)類型，將收到的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，做數(shù)據(jù)的處理和解釋。

　　通信首先必須實(shí)現(xiàn)正確雙方的正確握手，令上位機(jī)電臺(tái)站發(fā)送一個(gè)字節(jié)地址，下位機(jī)在收到1個(gè)字節(jié)后與本節(jié)點(diǎn)原始固定地址進(jìn)行比較驗(yàn)證，地址與本節(jié)點(diǎn)地址相符后，即驗(yàn)證通過，握手成功，表示上位機(jī)有數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，下位機(jī)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)讀取的動(dòng)作，之后上傳實(shí)際測量的物理量字節(jié)；如沒有收到本節(jié)點(diǎn)地址信息，則未通過，不會(huì)啟動(dòng)上傳數(shù)據(jù)程序。規(guī)定一幀數(shù)據(jù)包含6個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)源地址標(biāo)識(shí)，第2、3、4個(gè)字節(jié)是對(duì)應(yīng)物理量的十六進(jìn)制表示值，第5個(gè)字節(jié)是鉛酸蓄電池電壓值，最后一個(gè)字節(jié)是和校驗(yàn)字節(jié)，系統(tǒng)中采用和校驗(yàn)，對(duì)一幀數(shù)據(jù)的前5個(gè)字節(jié)進(jìn)行加和運(yùn)算。上位機(jī)收到一幀數(shù)據(jù)后，進(jìn)行同樣的運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果同本幀數(shù)據(jù)的最一個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較，如若相同，則數(shù)據(jù)正確；如若不同，表示該幀數(shù)據(jù)出錯(cuò)，予以丟棄。

　　現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)證明，在錄井系統(tǒng)這種數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，數(shù)據(jù)量不大的應(yīng)用情況下，以上協(xié)議可以滿足系統(tǒng)要求。

錄井無線傳輸系統(tǒng)的低功耗設(shè)置與測試

　　現(xiàn)場錄井采集傳輸模塊采用“太陽能電池板+可充電電池”的無線供電技術(shù)。為了不影響錄井作業(yè)，需要電源能夠不間斷地提供所需。在夜間用電池儲(chǔ)存的電能來供給無線采集傳輸模塊的運(yùn)行，遇到連續(xù)陰雨天時(shí)必須保證無線采集傳輸模塊至少工作三天。在給定可充電電池的容量和太陽能電池板的功率的條件下，應(yīng)當(dāng)采用合理的設(shè)計(jì)手段，盡可能降低系統(tǒng)功耗。除了考慮數(shù)據(jù)采集板器件的低功耗選型和設(shè)計(jì)外，系統(tǒng)工作模式的設(shè)置也非常重要。

　　影響無線收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節(jié)點(diǎn)采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和操作周期等。從系統(tǒng)工作過程可以看出，單個(gè)現(xiàn)場無線采集傳輸模塊，它并沒有一直在工作，在一個(gè)巡檢周期的大部分時(shí)間里它處在等待狀態(tài)。例如一個(gè)小型錄井儀一般有5個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)，要求每秒鐘對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)采樣一次，即巡檢周期為1秒。而錄井?dāng)?shù)據(jù)傳輸量并不大，一般主計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令為1個(gè)字節(jié)，無線采集傳輸模塊每次上傳的有效數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)，包括其他信息在內(nèi)也不超過12個(gè)字節(jié)。以每次上傳12個(gè)字節(jié)，通信波特率為9600計(jì)算，一次數(shù)據(jù)通信用時(shí)為T=12*8/9600=0.01s,即單個(gè)無線采集傳輸模塊與主計(jì)算機(jī)每次通信至多為10ms，在剩下的超過900ms的時(shí)間里無線采集傳輸模塊處在空閑狀態(tài)。

　　24XStream電臺(tái)具有4種工作模式，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)，每種工作模式下的電流消耗見表1。

表1 無線數(shù)傳電臺(tái)的功耗特性

　　從表1中數(shù)據(jù)可以看出，電臺(tái)在發(fā)射時(shí)的電流很大，在空閑狀態(tài)的電流消耗與接收狀態(tài)一樣。也就是說不管是工作狀態(tài)還是空閑狀態(tài)，其電流消耗都不低于90mA。而在睡眠狀態(tài)時(shí)，僅有6mA的電流消耗。如果讓無線采集傳輸模塊在900ms沒有數(shù)據(jù)收發(fā)的空閑時(shí)間里處于睡眠狀態(tài)，可以大大降低系統(tǒng)的功耗。

　　圖2是利用24XStream提供的計(jì)算軟件對(duì)電臺(tái)在各種情況下的功耗進(jìn)行了計(jì)算。

圖2 電臺(tái)功耗計(jì)算

　　以上根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸量、通信速率和睡眠功能這三方面的因素，計(jì)算了5種情況下電臺(tái)的功耗：A、B、C、D、E（周期都為1s,發(fā)射時(shí)電流為180mA，接收/空閑時(shí)電流為90mA，睡眠時(shí)電流為6mA）。按照同樣的情況，進(jìn)行了實(shí)際功耗測試與比較，如表2所示。

表2 電臺(tái)實(shí)際功耗測試
　

　　從計(jì)算比較和實(shí)際功耗測試比較可以看出，使用睡眠功能后，電流消耗大大降低。另外，數(shù)據(jù)傳輸量的減少和通信速率的提高也能在一定程度上降低功耗，但不是影響系統(tǒng)功耗的主要因素。需要指出的是，電臺(tái)從睡眠狀態(tài)喚醒需要一定時(shí)間，實(shí)際測量的功耗要稍微高于理論計(jì)算值，但總體來說使用睡眠功能時(shí)該電臺(tái)的功耗很低。

結(jié)語

　　鉆井現(xiàn)場有許多大功率電機(jī)和其他儀器設(shè)備，電磁輻射很嚴(yán)重，而且現(xiàn)在鉆井作業(yè)不僅是在曠野地帶，有時(shí)也會(huì)在距離市區(qū)建筑較近的地方，在這些地區(qū)進(jìn)行錄井作業(yè)，數(shù)據(jù)的無線傳輸會(huì)受到影響，高大建筑物會(huì)對(duì)無線通信的質(zhì)量和傳輸距離產(chǎn)生一定的影響。本文設(shè)計(jì)的錄井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中選用XSteam24無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，工作在ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，抗干擾性好，功率消耗低，比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信方法有很多改進(jìn)和提高，滿足錄井工程的需要。

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