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

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。