基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著石油資源逐漸開(kāi)采，可用油資源日益緊缺，并且隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，石油消耗量日益增大。在這樣的形勢(shì)下，對(duì)現(xiàn)有石油資源進(jìn)行科學(xué)采集、提高開(kāi)采利用率顯得愈發(fā)重要。

普通采油廠一般由多口油井、計(jì)量站、管匯閥組、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其他分散設(shè)施組成，整個(gè)采油廠的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)(主要有溫度、壓力、流量等)直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質(zhì)量。

數(shù)字油田是將油田中所有的事物(盆地、地面、井中、油藏)全部抽象為邏輯數(shù)字，通過(guò)高性能計(jì)算機(jī)多元異構(gòu)的全面處理(運(yùn)算、模擬、建設(shè)平臺(tái)和存儲(chǔ))，從而可以對(duì)油田地上、地下做完整的表征和直觀的展示。

也就是說(shuō)能夠用數(shù)字展示和表述全部油田事物的現(xiàn)代化高新技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化信息，信息轉(zhuǎn)化知識(shí)，以信息作為技術(shù)為油田服務(wù)，從而尋找到新的油藏和油田以及提高油氣的采收率。

對(duì)石油采集、運(yùn)輸和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的眾多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，是實(shí)施數(shù)字油田的一個(gè)重要組成部分，為生產(chǎn)人員掌握采油設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為監(jiān)控油井生產(chǎn)異常、監(jiān)控油井產(chǎn)量、運(yùn)輸防盜和存儲(chǔ)防盜防漏等科學(xué)決策提供重要參考。

將如此諸多參數(shù)傳送到油田監(jiān)控中心，需要構(gòu)建一個(gè)效率高、響應(yīng)快、費(fèi)用低的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。本文針對(duì)油田實(shí)際需求及現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，提出基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)理念的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年提出的一種新興技術(shù)，基于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)路由、能自組織，在某些節(jié)點(diǎn)失去功能網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)恢復(fù)，適合于野外環(huán)境下作長(zhǎng)時(shí)間工作的無(wú)人值守觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。

1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有的自動(dòng)化油田數(shù)據(jù)采集傳輸方案中，為一臺(tái)主控設(shè)備通過(guò)有線接載多路傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集各路數(shù)據(jù)之后，通過(guò)GPRS或CDMA信道傳送至數(shù)據(jù)中心，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求每臺(tái)抽油機(jī)或其他設(shè)備均通過(guò)GPRS或CDMA傳輸。

在本文提出的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，其基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)層次網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成，第一層網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)采油井區(qū)范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)本地的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，所有的數(shù)據(jù)匯總至井區(qū)的中心;第二層網(wǎng)絡(luò)是各井區(qū)的中心，通過(guò)GPRS或CDMA方式再傳送至整個(gè)油田的數(shù)據(jù)中心。

采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)方式，將具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)減少了GPRS或CDMA通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目，將有效降低設(shè)備運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的通信費(fèi)用;

(2)減少有線布設(shè)，降低線纜及其施工費(fèi)用，也降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝的復(fù)雜度;

本文提出的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)層次，每個(gè)工作小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)普通節(jié)點(diǎn)和小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)，小區(qū)中心為整個(gè)小區(qū)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心，收集數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)達(dá)命令，其通過(guò)現(xiàn)有的GPRS(CDMA)網(wǎng)絡(luò)和架設(shè)在機(jī)房的服務(wù)器聯(lián)系，由于第二層次和既有設(shè)計(jì)一樣，下面將重點(diǎn)討論第一層次的設(shè)計(jì)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有星型、樹(shù)形和MESH等三種。這三種網(wǎng)絡(luò)各有特點(diǎn)，適應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景下。油田應(yīng)用中，所有節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)向工作節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，工作節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)通信的要求。在此條件下，應(yīng)該采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)路由建立

節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后，首先發(fā)出廣播信息，尋找網(wǎng)絡(luò)，就近收到的節(jié)點(diǎn)作出響應(yīng)，并將節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求回送給中心點(diǎn)，中心點(diǎn)根據(jù)最短路由依據(jù)，僅對(duì)其中一條請(qǐng)求(如果有多條的話)做出回應(yīng)，并分配網(wǎng)內(nèi)地址，長(zhǎng)度為2 B，自后，即以此短地址作為網(wǎng)內(nèi)通信時(shí)用的識(shí)別碼。字節(jié)收到中心節(jié)點(diǎn)的加入網(wǎng)絡(luò)許可后，即跳出加入網(wǎng)絡(luò)模式，進(jìn)入正常工作模式。

數(shù)據(jù)傳輸采用Trans-ACK模式，即每發(fā)送一個(gè)包，采用端對(duì)端的應(yīng)答機(jī)制，以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定;數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后，最多允許3次重傳，如果3次重傳失敗，則宣告節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系，進(jìn)而重新執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)過(guò)程。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

第一層次中小區(qū)中心結(jié)構(gòu)如圖1所示，與普通節(jié)點(diǎn)間差別是沒(méi)有安裝GPRS(CDMA)模塊，即小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)同時(shí)也具有完備的普通節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)和動(dòng)作控制能力。除此之外，它們的太陽(yáng)能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。

2.2 節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的電源供應(yīng)事關(guān)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，故一方面要千方百計(jì)增加電源供應(yīng)，另一方面要降低能量消耗。

傳感器節(jié)點(diǎn)采用自供電設(shè)計(jì)，裝備太陽(yáng)能電池和可充電的Li電池。電源部分如圖2所示。太陽(yáng)能電池板受太陽(yáng)光照的影響，輸出電源的電壓、功率變化較大，要求DC/DC電路具有較大的適應(yīng)性，為此設(shè)計(jì)DC/DC電路具有6～20 V的輸入電壓范圍，輸出電壓穩(wěn)定在4.4 V，功率轉(zhuǎn)換效率不低于80%。

動(dòng)態(tài)電源路徑選擇電路自帶數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，判斷太陽(yáng)能電池輸出部分的電壓，根據(jù)電壓值即時(shí)判斷太陽(yáng)能電池供應(yīng)能力不足，進(jìn)而判斷是否從Li電池取電工作或給Li電池充電以及充電電流的大小，其工作流程如圖3所示。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，電源供應(yīng)切換時(shí)間要求大約為5μs，由于有輸出端的儲(chǔ)能電容的作用，不會(huì)引起工作電路的復(fù)位或工作異常。

2.3 RF設(shè)計(jì)

自從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念提出以來(lái)，許多的芯片公司如TI、Freesacle和Atmel等都以極大的熱情投入其中，大量的低功耗的RF芯片因此得以面世。許多針對(duì)此種網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議也紛紛提出，其中ZigBee聯(lián)盟提出的ZigBee協(xié)議是目前影響最深遠(yuǎn)的，也是目前最為成熟的一種協(xié)議。

本文節(jié)點(diǎn)采用ZigBee協(xié)議處理器CC2430，它是TI公司最新推出的符合ISM頻段的2.4 GHzIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kb/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

CC2430工作頻帶范圍為：2.400～2.483 5 GHz，采用O-QPSK調(diào)制方式，超低電流消耗(RX：19.7 mA，TX：17.4 mA)，高接收靈敏度(-99 dBm);IEEE 802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16 b CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR，CBC-MAC，CCM);CC2430只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路3個(gè)部分。

CC2430為IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀;PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長(zhǎng)度可以通過(guò)寄存器的設(shè)置來(lái)改變?？梢圆捎?6 b CRC校驗(yàn)來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128 B的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

3 節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在ZigBee協(xié)議?；A(chǔ)上，其基本源代碼可以從TI公司獲得。關(guān)于ZigBee協(xié)議棧的工作原理及實(shí)現(xiàn)方法本文不再贅述。

3.1 網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略

數(shù)據(jù)在普通節(jié)點(diǎn)采集并最多緩存24 h數(shù)據(jù)(FIFO結(jié)構(gòu))，如果每臺(tái)節(jié)點(diǎn)和超級(jí)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)在線連接，那么緩沖區(qū)里就沒(méi)有存下數(shù)據(jù);

(1)小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)支持采用短信方式更改主次服務(wù)器的IP及PORT。

(2)小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)在連接成功后，總是試圖將緩存數(shù)據(jù)依次上傳;同時(shí)也能響應(yīng)服務(wù)器的讀取歷史數(shù)據(jù)的命令;

(3)小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)按照時(shí)間先后順序，總緩存所轄節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的24 h數(shù)據(jù)(或更長(zhǎng))，不管此數(shù)據(jù)是否上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器;

(4)小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)首選連接主服務(wù)器，連接成功將數(shù)據(jù)發(fā)送，如果超過(guò)1 h未能連接成功，則連接從服務(wù)器，連接成功將數(shù)據(jù)發(fā)送直到連接斷開(kāi);如果斷開(kāi)了和從服務(wù)器的連接超過(guò)1 h，則連接主服務(wù)器;

3.2 數(shù)據(jù)傳輸類別

3.2.1 數(shù)據(jù)常規(guī)上行

數(shù)據(jù)常規(guī)上行是指各節(jié)點(diǎn)按照設(shè)定的采集間隔將數(shù)據(jù)采集并上傳，其流程如圖4所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)按需上行

除了常規(guī)的按間隔采集數(shù)據(jù)之外，在某些情況下，控制人員需要查看即時(shí)數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要數(shù)據(jù)按需上行模式，這種模式采用一問(wèn)一答模式，其流程圖如圖5所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)突發(fā)上行

數(shù)據(jù)突發(fā)上行發(fā)生在特殊情況下，這些情況是指某種傳感器數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定閾值、太陽(yáng)能板長(zhǎng)時(shí)間失去電壓(即可能損壞)、可充電電池?zé)o法充電(即可能損壞)、保護(hù)殼體被異常打開(kāi)等等。這種情況下，常規(guī)節(jié)點(diǎn)即主動(dòng)發(fā)起通信，傳送相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3.2.4 命令下行

命令下行是指數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或指定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其工作流程如圖6所示。對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定時(shí)，采用廣播模式;對(duì)指定節(jié)點(diǎn)設(shè)定時(shí)，采用點(diǎn)播模式。

4 實(shí)驗(yàn)

電源關(guān)乎整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存能力，電源問(wèn)題至關(guān)重要，本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池DC/DC轉(zhuǎn)換效率在輸入電壓20 V、輸出功率0.5 W時(shí)為80.6%，在同樣輸出功率，6 V輸入電壓時(shí)效率達(dá)95.1%。

板載的Li離子電池容量為3 000 mAH，經(jīng)實(shí)驗(yàn)估計(jì)，節(jié)點(diǎn)每分鐘采集一組流量計(jì)數(shù)據(jù)，完全不用太陽(yáng)能板能持續(xù)工作20天。搭載2 W單晶硅，在滿足節(jié)點(diǎn)工作之外，能在10 h完全將電池充滿。

在采油廠、井場(chǎng)類似的環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)之間以250 kb/s的速度通信時(shí)，距離在70～100 m，因而覆蓋一個(gè)井場(chǎng)范圍內(nèi)的所有的被測(cè)物，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)大概2～3跳即可以。

5 結(jié)論

針對(duì)采油廠建設(shè)數(shù)字油田的實(shí)際需要及現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，本文提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，本網(wǎng)絡(luò)具有布置簡(jiǎn)單、建設(shè)維護(hù)運(yùn)行成本低、無(wú)需額外供電等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)初步試驗(yàn)表明，此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。