基于ZigBee技術(shù)的油田示功參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)
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0 引言
隨著全球經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展,石油的在人們生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣,石油的需求量也與日俱增。人們對(duì)石油的生產(chǎn)更加關(guān)切。目前,油田現(xiàn)場(chǎng)采集、監(jiān)控一般采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,然后將信號(hào)通過(guò)電纜傳送到控制中心加以處理。油田現(xiàn)場(chǎng)所處環(huán)境偏遠(yuǎn)惡劣、地勢(shì)復(fù)雜,油井分布廣、數(shù)量多,鋪設(shè)固定通信線路成本高、線路長(zhǎng)、設(shè)備造價(jià)高、投資大等特點(diǎn),制約了油田的生產(chǎn)監(jiān)控。本文提出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在油田監(jiān)控中。
1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
近年來(lái),隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC)、傳感、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和通信等方面的飛速發(fā)展,無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)以其成本低、組網(wǎng)靈活、受地理環(huán)境限制少等優(yōu)點(diǎn),在許多領(lǐng)域都展示了廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),目前被視為替代有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)最有前景的技術(shù)之一。與傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)相比(見(jiàn)表1),ZigBee的特點(diǎn)主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面:
(1)低功耗。待機(jī)模式,2節(jié)AAA干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作0.5~1年。
(2)低成本。協(xié)議大幅簡(jiǎn)化,免執(zhí)照頻段,免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。
(3)低速率。250kb/s(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet,可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)大網(wǎng)。
(6)短時(shí)延。ZigBeen響應(yīng)速度快,睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)需15ms,節(jié)點(diǎn)連接入網(wǎng)需30ms。
(7)安全性能高。提供三級(jí)安全模式:無(wú)安全設(shè)定、接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數(shù)據(jù)及采用AES-128對(duì)稱(chēng)密碼。
2 系統(tǒng)總體方案
加速度傳感器、載荷傳感器定時(shí)收集各井口的示功參數(shù),在ARM處理器控制下,通過(guò)ZigBee無(wú)線??欤贗EEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支持下,由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器,經(jīng)衛(wèi)星或GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心,及時(shí)掌握采油現(xiàn)場(chǎng)的工作參數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、整理與分析,并及時(shí)對(duì)終端下達(dá)控制命令,調(diào)整生產(chǎn)。
該系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集終端、Zi gBee無(wú)線路由器、ZigBee/WN協(xié)調(diào)器、控制中心四個(gè)部分。油田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1示。 圖一油田監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)由三級(jí)WN組成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)。低功耗為該系統(tǒng)突出表現(xiàn)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用的是2.4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段。該頻段(2.4~2.483GHz)被劃為16個(gè)信道,數(shù)據(jù)傳輸速率250kb/s,碼元速率為62.5kbaud,采用16進(jìn)制正交調(diào)制,用碼片長(zhǎng)度為8的偽隨機(jī)碼直接擴(kuò)頻。GPRS傳輸速度為56~115Kb/s。與GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用,可以滿(mǎn)足ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的需求,可以減少系統(tǒng)建設(shè)初期的投資費(fèi)用,減輕網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)工作量,使油井示功參數(shù)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)通過(guò)ZigBee和GPRS兩種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,對(duì)油田出現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立:
本文充分對(duì)比了StarNet、MeshNet和CluterTreeNet各自的優(yōu)缺點(diǎn),選用樹(shù)型無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)(Ad HocNet),采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道存取,各ZigBee傳輸模塊通過(guò)多次跳頻技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸方式,具有較好的信息隱蔽性、抗多頻干擾性和自愈性,并增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。實(shí)現(xiàn)對(duì)油井示功參數(shù)的采集、傳輸及監(jiān)控。
樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,自終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立后,終端設(shè)備被分配一16位短地址,此后終端就用這地址在無(wú)限個(gè)域網(wǎng)中通信。主協(xié)調(diào)器首先啟動(dòng)建立ZigBee個(gè)域網(wǎng),選擇ZigBee個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符,自身短地址設(shè)為0,然后向其鄰近設(shè)備發(fā)送信標(biāo),接受其他網(wǎng)絡(luò)鏈接,成為第一級(jí)網(wǎng)絡(luò)。與主協(xié)調(diào)器建立了連接的設(shè)備都分配一16位的網(wǎng)絡(luò)地址。路由器根據(jù)其收到的協(xié)調(diào)器的信標(biāo)的信息,配置并發(fā)送其自己的信標(biāo),允許其他設(shè)備與其建立連接,形成從設(shè)備--數(shù)據(jù)采集終端的第二級(jí)網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心,形成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)鏈路。
4 硬件設(shè)計(jì)
4.1 硬件組成及功能
系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集傳感器、控制器、無(wú)線RF收發(fā)、存儲(chǔ)、電源、GPRS接收、監(jiān)控中心七個(gè)模塊組成。傳感器模塊由載荷傳感器、加速度傳感器ADX105構(gòu)成,功能是用來(lái)收集油井現(xiàn)場(chǎng)的示功信息;控制器模塊為嵌入式系統(tǒng)ARM處理器,功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、功耗管理、同步定位、任務(wù)管理等操作;無(wú)線RF收發(fā)模塊是由Phipcon公司開(kāi)發(fā)的CC2420RF芯片,功能是與其他RF模塊通信,傳輸油田現(xiàn)場(chǎng)的示功參數(shù)和控制信息;存儲(chǔ)模塊采用Samsung公司生產(chǎn)的NAND型FLASH存儲(chǔ)器K9F2808UOC,容量為8~128MB,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ);電源模塊分為兩類(lèi):一類(lèi)是高容量鋰電池;另一類(lèi)是變直之后的交流電源(硬件電路如圖2所示)。GPRS收發(fā)模塊A-232/485GPRSDTU負(fù)責(zé)GPRS通信鏈路的信息傳遞,將示功參數(shù)送至監(jiān)控中心;監(jiān)控中心模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、整理與分析,并反饋控制命令。
4.2 硬件各模塊及功能
ZigBee技術(shù)支持兩種類(lèi)型的物理設(shè)備:全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。油井現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)采集終端是網(wǎng)絡(luò)中通信要求最低的部分,結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)單,用電池供電,大多處于睡眠狀態(tài),以最大程度地節(jié)約電能,數(shù)據(jù)采集終端的通信模塊采用RFD;ZigBee路由器具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和收發(fā)能力、路由發(fā)現(xiàn)能力,從設(shè)備的連接、路由表的維護(hù)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),到維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的鏈路等功能,采用FFD;ZigBee協(xié)調(diào)器始終處于工作狀態(tài),是網(wǎng)絡(luò)的核心,除完成路由器的功能外,還有制定網(wǎng)絡(luò)規(guī)則,選擇合適信道,建立網(wǎng)絡(luò)并下發(fā)地址的功能,采用FFD。
采集終端(電路框圖如圖3所示),CC2420通過(guò)SPI總線連接到ARM芯片的P1.0~P1.7接口。高容量電池作為終端模塊的電源,通過(guò)LD0低壓差線性穩(wěn)壓器AM11 17-3.3為傳感器模塊、RF模塊、MCU/ARM7提供3.3V左右電壓。ARM芯片需3.0~3.6V(3.3V±10%),CC2420需2.0~3.6V。電源功率指示燈顯示電源電壓。聲光報(bào)警單元對(duì)異常情況報(bào)警。晶振電路使ARM7與RF模塊同步通信。ZigBee路由器模塊框圖如圖4所示。
ZigBee協(xié)調(diào)器硬件電路在MCU右端接A-232/485GPRS/DTU,電源要求4.5~35V。供電電源采用電源線供電(將220V交流電經(jīng)過(guò)整流、穩(wěn)壓、濾波電路轉(zhuǎn)換成5V直流。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊框圖如圖5所示。
采集終端、路由器和協(xié)調(diào)器都有FLASH存儲(chǔ)器,系統(tǒng)在意外情況下,可海量存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù),防止數(shù)據(jù)丟失。終端和路由器采用鋰電池供電,協(xié)調(diào)器部分采用電源線供電,增強(qiáng)了電源模塊的穩(wěn)定性。
5 軟件設(shè)計(jì)
軟件部分由監(jiān)控中心、ZigBee協(xié)調(diào)器通信、ZigBee路由通信、數(shù)據(jù)采集終端ZigBeeRF模塊中的收發(fā)模塊通信、系統(tǒng)初始化程序(如圖6所示)和信息采集終端等程序模塊組成。
監(jiān)控中心程序負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理與控制,包括無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的MCU、RF收發(fā)、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、以及對(duì)連接到節(jié)點(diǎn)的設(shè)備的控制(主程序如圖7所示);ZigBee無(wú)線通信模塊程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)無(wú)線收發(fā),包括RF和基帶兩部分,前者提供數(shù)據(jù)通信的空中接口,后者提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組;ZigBee路由器及協(xié)調(diào)器通信程序負(fù)責(zé)鏈路管理與控制,執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)處理過(guò)程,包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類(lèi)型支持、媒體接入控制、功率模式和安全算法等。采集終端程序及協(xié)調(diào)器程序分別如圖8、9所示。
軟件設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信息傳遞和監(jiān)控中心三個(gè)層次,其運(yùn)行于數(shù)據(jù)采集和信息傳遞之間的程序采用C++Builder6.0或匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)控制程序語(yǔ)言編寫(xiě),經(jīng)過(guò)ARM編譯系統(tǒng)生成執(zhí)行程序。監(jiān)控中心軟件由Vi sualBasic6.0開(kāi)發(fā),數(shù)據(jù)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。IEEE802.15.4/ZigBee開(kāi)發(fā)系統(tǒng)采用無(wú)線谷C51RF-3-ZMD2。軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),便于完善和維護(hù),同時(shí)做到界面美觀,操作簡(jiǎn)便。
6 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)
在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中,只有考慮到MCU的功耗問(wèn)題,才能真正做到節(jié)能降耗,ZigBee低功耗特點(diǎn)才能凸顯出來(lái)。CC2420在睡眠模式,發(fā)射功率只有10mW。發(fā)射模式下電流消耗為17mA,接收模式下為15mA,睡眠模式下為0.7 μ A。其設(shè)備可大多時(shí)間進(jìn)入睡眠狀態(tài),周期性醒來(lái)。睡眠模式下,收發(fā)電路關(guān)閉,極大限度減少功耗,醒來(lái)時(shí)通過(guò)檢查信道,與協(xié)調(diào)器同步,發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。ARM芯片支持兩種節(jié)電模式:空閑模式和掉電模式。掉電模式,振蕩器關(guān)閉,處理器狀態(tài)和寄存器、外設(shè)存器及內(nèi)部SRAM值被保持。復(fù)位或特定的不需要時(shí)鐘仍能工作的中斷,可終止掉電模式并使芯片恢復(fù)正常運(yùn)行。
本文通過(guò)軟件控制,ARM芯片與CC2420間歇性地工作在接收狀態(tài)。不接收數(shù)據(jù)時(shí),芯片CC2420處于睡眠模式,ARM芯片處于掉電模式(功耗幾乎為零),可大大減少系統(tǒng)的功耗。MCU通過(guò)外部中斷(CC2420的32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器產(chǎn)生的外部中斷EINT3,15引腳)退出掉電模式,繼續(xù)工作。從而延長(zhǎng)電池壽命,達(dá)到節(jié)能目的。
7 結(jié)束語(yǔ)
ZigBee技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高可靠性的雙向微功率網(wǎng)格式無(wú)線接入技術(shù)。集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線寬帶通信技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)等諸多學(xué)科的技術(shù)。ZigBee技術(shù)與ARM技術(shù)結(jié)合使用,實(shí)現(xiàn)了油田信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線化,頻譜利用高效化,生產(chǎn)信息化。在當(dāng)今頻譜資源日益緊張,組網(wǎng)成本居高不下的情況下,深入研究ZigBee WSN具有深遠(yuǎn)的意義。