基于ZigBee的油井無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針時(shí)當(dāng)代油田井口數(shù)據(jù)采集困難以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作困難的現(xiàn)狀，應(yīng)用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)油田數(shù)據(jù)的采集，以及對(duì)油田實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。其中無線傳感器選用JN5139芯片作為主控芯片來設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)，并且編寫了芯片相應(yīng)的控制程序。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)測(cè)試，系統(tǒng)滿足靈敏度設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)控；JN5139

    據(jù)了解，一個(gè)油田的生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一個(gè)油田的采油場(chǎng)由多口油井以及其他分散設(shè)施組成。鑒于油井?dāng)?shù)量眾多，而且分布的范圍也由幾十平方公里擴(kuò)展到上百平方公里，交通條件往往十分惡劣，而且自然環(huán)境也十分惡劣，晝夜溫差極大，直接導(dǎo)致對(duì)井口數(shù)據(jù)采集以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的工作難度增加。后來隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了應(yīng)用GPRS，GSM，藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)來采集這些數(shù)據(jù)的方法，但是經(jīng)過一些油田的使用發(fā)現(xiàn)也存在一些問題。例如這些設(shè)備造價(jià)昂貴，維護(hù)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。針對(duì)此種情況，本文采用了ZigBee技術(shù)來設(shè)計(jì)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)油田數(shù)據(jù)的采集以及監(jiān)控管理。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、通信協(xié)議和節(jié)點(diǎn)布置
    油井無線數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖1所示。

1．1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)
    1)單個(gè)油井的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)  這一小的無線網(wǎng)絡(luò)主要由布置在油井各位置的無線傳感器組成，主要采集油井的脈沖、載荷、出油口的溫度和壓力。無線傳感器由相應(yīng)的傳感器結(jié)合ZigBee模塊開發(fā)，無線通訊距離小于100 m，傳感器和油井的數(shù)據(jù)采集控制器之間互相組成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)。全部的數(shù)據(jù)最終集中到數(shù)據(jù)采集器中進(jìn)行處理和計(jì)算，然后數(shù)據(jù)將通過另一無線網(wǎng)絡(luò)上傳。
    2)油井間的無線網(wǎng)絡(luò)  這一網(wǎng)絡(luò)由油井間的數(shù)據(jù)集中控制器組成，數(shù)據(jù)集中控制器在系統(tǒng)中充當(dāng)了網(wǎng)關(guān)的功能，將單個(gè)油井的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后再通過油井間的無線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)集中控制器采用短距離的無線模塊(通訊距離小于100 m)結(jié)合大功率無線模塊(通訊距離小于1 000 m)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)段傳輸。
    3)監(jiān)控中心  監(jiān)控中心采用相應(yīng)的PC服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。管理人員可以隨時(shí)了解各油井的工作情況和產(chǎn)量。
1．2 通信協(xié)議
    IEEE 802．15．4規(guī)定ZigBee協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)模式、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)信息與校驗(yàn)和5部分構(gòu)成，其格式如圖2所示。

    “數(shù)據(jù)模式”、“目的地址”、“數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”各占用一個(gè)字節(jié)。其中，“目的地址”表示此幀要發(fā)送的目的位置，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)號(hào)；“數(shù)據(jù)長(zhǎng)度”表示該幀中數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)度；“數(shù)據(jù)信息”表示要傳送的命令或有效數(shù)據(jù)，它所占用的字節(jié)數(shù)由所發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度決定；“校驗(yàn)和”也占用一個(gè)字節(jié)。
    油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)是建立在IEEE802．15．4規(guī)定的ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)之上的，僅對(duì)其中的“數(shù)據(jù)信息”字段部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。將“數(shù)據(jù)信息”字段劃分為“節(jié)點(diǎn)信息”、“功能編碼”、“數(shù)據(jù)”3部分，如圖3所示。

    “節(jié)點(diǎn)信息”字段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1字節(jié)，其是低4位為RFD節(jié)點(diǎn)號(hào)，高4位為FFD節(jié)點(diǎn)號(hào)。根據(jù)高4位將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到對(duì)應(yīng)的RFD，即對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)。
1. 3 節(jié)點(diǎn)布置
    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通過飛機(jī)布撒或者人工布置等方式，可以將大量的節(jié)點(diǎn)放在被測(cè)對(duì)象的內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)采用自組織的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，之間相互協(xié)作，實(shí)時(shí)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，最后由匯聚節(jié)點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心。反之，遠(yuǎn)程管理中心也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)操控。

2 ZigBee技術(shù)
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)，用于分析或者被另外一種無線技術(shù)收集。使
用世界最新射頻技術(shù)和集成技術(shù)來生產(chǎn)迄今為止真正的低成本、低功耗、袖珍體積(名片大小)、高可靠性的擴(kuò)頻無線數(shù)傳電臺(tái)：使用世界最新的無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)所有數(shù)傳電臺(tái)之間不需中繼站的互聯(lián)網(wǎng)式通信。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    在無線傳感器節(jié)點(diǎn)各單元中，核心單元為處理器單元及射頻單元。處理器單元決定節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力，路由算法的運(yùn)行速度以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形式的復(fù)雜程度，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節(jié)點(diǎn)的整體能耗和節(jié)點(diǎn)的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響無線通信使用的頻段、節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信的收發(fā)速率以及節(jié)點(diǎn)的通信距離等。
    本系統(tǒng)選用目前較為廣泛的JENNIC公司的JN5139作為主控芯片，以此設(shè)計(jì)出網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)。
    JN5139是低功耗低成本適合于IEEE 802．15．4和ZigBee應(yīng)用的無線微控制器。在單芯片內(nèi)集成了用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)器和微控制器；成本敏感的ROM／RAM架構(gòu)，滿足了批量應(yīng)用的需要；元件數(shù)量少和成本低，從而實(shí)現(xiàn)了低系統(tǒng)BOM；硬件MAC可以保證實(shí)現(xiàn)低功耗和低處理器開銷；大量用戶外設(shè)；與JN5121引腳兼容，從而輕松實(shí)現(xiàn)了移植。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

    數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)硬件一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。JN5139將處理器模塊和無線通信模塊整合在一起，所以只需要將傳感器模塊與電源模塊與之相連即可，如圖5所示。

    鑒于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是在戶外工作，更換電池不太容易，且減小節(jié)點(diǎn)體積，所以采用可充電鋰離子鈕扣電池供電。一些傳感器電路的工作電流較強(qiáng)，因此應(yīng)該采用突發(fā)式工作的方式，即在需要采集數(shù)據(jù)時(shí)才打開傳感電路工作，從而降低能耗。由于一般的傳感器都不具備休眠模式，因此最方便的辦法是控制傳感器的電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的狀態(tài)控制。對(duì)于僅需要小電池驅(qū)動(dòng)的傳感器，可以考慮直接采用MCU的I／O端口作為供電電源，這種控制方式簡(jiǎn)單而靈活； 對(duì)于需要大電流驅(qū)動(dòng)的傳感器，宜采用漏電流較小的開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管控制傳感器的供電。

4 軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)無線通信程序包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個(gè)部分。發(fā)射過程由軟件寫數(shù)據(jù)到TX／RX幀緩存器，這些數(shù)據(jù)和某些參數(shù)例如目的地地址和容許重測(cè)次數(shù)一起被傳送，對(duì)協(xié)議定時(shí)器進(jìn)行編程來標(biāo)明發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)刻。這個(gè)時(shí)刻由被跟蹤協(xié)議高層的軟件所決定，一旦信息包被準(zhǔn)備好和協(xié)議定時(shí)設(shè)定好，管控方將控制其傳輸。當(dāng)信息按照預(yù)定時(shí)刻到達(dá)，管控方控制無線電和調(diào)制解調(diào)器時(shí)序來執(zhí)行需求傳輸類型。它可以按照IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)要求在沒有處理器介入(包括要求重新測(cè)試和隨機(jī)backoffs)執(zhí)行全部的工作步驟。
    當(dāng)傳輸開始時(shí)，數(shù)據(jù)幀標(biāo)頭是根據(jù)軟件編排的參數(shù)而創(chuàng)立，通過將數(shù)據(jù)串行化到調(diào)制解調(diào)器發(fā)射出去。同時(shí)無線電準(zhǔn)備傳輸，在從bits-tream到調(diào)制解調(diào)器的通道中，它經(jīng)過一個(gè)CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))通過在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算的校驗(yàn)產(chǎn)生器，把它加到數(shù)據(jù)幀的末尾。
    如利用跟蹤訪問，在傳輸時(shí)定位跟蹤有可能超過定時(shí)，基本頻帶處理器會(huì)自發(fā)地處理這種情況并通過中斷方式來通知協(xié)議軟件，這顯然比當(dāng)超時(shí)時(shí)再要求處理更好一點(diǎn)。
    接收時(shí)，無線電接收裝置在一個(gè)特別頻道來接收。一收到來自調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀被直接轉(zhuǎn)換成TX／RX幀放在緩沖器內(nèi)，在那里幀首和數(shù)據(jù)可以被協(xié)議軟件閱讀出來。一收到幀標(biāo)題可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。正如數(shù)據(jù)幀來源于經(jīng)過校驗(yàn)發(fā)生器的調(diào)制解調(diào)器，在接收端末端的校驗(yàn)結(jié)果同整個(gè)信息末端相比較，來確定最后接收的數(shù)據(jù)是正確的。
    接收過程中，Modem要確認(rèn)接收連接質(zhì)量，確保接收最后結(jié)果可利用的，讓它符合802．15．4標(biāo)準(zhǔn)要求。終端節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖6所示。

5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試
    測(cè)試時(shí)讓兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互發(fā)數(shù)據(jù)，且兩節(jié)點(diǎn)間無任何障礙物，測(cè)試節(jié)點(diǎn)接收靈敏度。這里還需要考慮通信時(shí)延的問題，時(shí)延包括協(xié)議棧時(shí)延和空中傳播的時(shí)延，空中傳播時(shí)延可以忽略不計(jì)，因此主要考慮協(xié)議棧時(shí)延。協(xié)議棧時(shí)延從發(fā)送消息函數(shù)開始到無線目標(biāo)實(shí)際開始物理發(fā)射為止。由于條件有限，無法做出實(shí)際的結(jié)果。但是一般的情況下，協(xié)議棧發(fā)射時(shí)延約為550μs，接收時(shí)延約為600μs。

6 結(jié)論
    本文利用Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套油田井口無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，成功地解決了油田井口數(shù)據(jù)采集困難的問題，實(shí)現(xiàn)了油田生產(chǎn)管理和油井、管線維護(hù)監(jiān)控的信息化、自動(dòng)化，極大地提高了工作效率，降低網(wǎng)絡(luò)組建和運(yùn)行的成本。