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

??? 隨著全球經濟的穩(wěn)步發(fā)展，石油的在人們生產、生活中的應用越來越廣，石油的需求量也與日俱增。人們對石油的生產更加關切。目前，油田現(xiàn)場采集、監(jiān)控一般采用傳感器進行數(shù)據的采集，然后將信號通過電纜傳送到控制中心加以處理。油田現(xiàn)場所處環(huán)境偏遠惡劣、地勢復雜，油井分布廣、數(shù)量多，鋪設固定通信線路成本高、線路長、設備造價高、投資大等特點，制約了油田的生產監(jiān)控。本文提出將ZigBee技術應用在油田監(jiān)控中。

1 ZigBee技術簡介

??? 近年來，隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC)、傳感、嵌入式計算、網絡和通信等方面的飛速發(fā)展，無線傳感網絡(WSN)以其成本低、組網靈活、受地理環(huán)境限制少等優(yōu)點，在許多領域都展示了廣闊的應用前景。ZigBee技術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、網絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)控網絡最有前景的技術之一。與傳統(tǒng)無線技術相比(見表1)，ZigBee的特點主要表現(xiàn)以下幾個方面：

??? (1)低功耗。待機模式，2節(jié)AAA干電池可支持1個節(jié)點工作0．5~1年。

??? (2)低成本。協(xié)議大幅簡化，免執(zhí)照頻段，免協(xié)議專利費。

??? (3)低速率。250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始數(shù)據吞吐率。

??? (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)網絡容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet，可組成65000個節(jié)點大網。

??? (6)短時延。ZigBeen響應速度快，睡眠轉入工作狀態(tài)需15ms，節(jié)點連接入網需30ms。

??? (7)安全性能高。提供三級安全模式：無安全設定、接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數(shù)據及采用AES－128對稱密碼。

2 系統(tǒng)總體方案

??? 加速度傳感器、載荷傳感器定時收集各井口的示功參數(shù)，在ARM處理器控制下，通過ZigBee無線模快，在IEEE802．15．4技術標準的支持下，由ZigBee網絡發(fā)送到ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調器，經衛(wèi)星或GPRS網絡將數(shù)據發(fā)送至控制中心，及時掌握采油現(xiàn)場的工作參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據的匯總、整理與分析，并及時對終端下達控制命令，調整生產。

??? 該系統(tǒng)分數(shù)據采集終端、Zi gBee無線路由器、ZigBee／WN協(xié)調器、控制中心四個部分。油田監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1示。 圖一油田監(jiān)控系統(tǒng)架構

??? 系統(tǒng)由三級WN組成，結構簡單、性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)。低功耗為該系統(tǒng)突出表現(xiàn)。ZigBee無線網絡采用的是2．4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無需申請的ISM頻段。該頻段(2．4~2．483GHz)被劃為16個信道，數(shù)據傳輸速率250kb／s，碼元速率為62．5kbaud，采用16進制正交調制，用碼片長度為8的偽隨機碼直接擴頻。GPRS傳輸速度為56~115Kb／s。與GPRS網絡結合使用，可以滿足ZigBee網絡傳輸數(shù)據的需求，可以減少系統(tǒng)建設初期的投資費用，減輕網絡運行維護工作量，使油井示功參數(shù)及時、準確地傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)通過ZigBee和GPRS兩種無線網絡的連接，實現(xiàn)實時監(jiān)控，對油田出現(xiàn)的問題及時發(fā)現(xiàn)和處理。

3 無線傳感器網絡建立

??? 本文充分對比了StarNet、MeshNet和CluterTreeNet各自的優(yōu)缺點，選用樹型無線自組網絡(Ad HocNet)，采用CSMA-CA方式進行信道存取，各ZigBee傳輸模塊通過多次跳頻技術數(shù)據傳輸方式，具有較好的信息隱蔽性、抗多頻干擾性和自愈性，并增大網絡的覆蓋范圍。實現(xiàn)對油井示功參數(shù)的采集、傳輸及監(jiān)控。

??? 樹型無線傳感器網絡中，自終端設備和網絡協(xié)調器建立后，終端設備被分配一16位短地址，此后終端就用這地址在無限個域網中通信。主協(xié)調器首先啟動建立ZigBee個域網，選擇ZigBee個域網標識符，自身短地址設為0，然后向其鄰近設備發(fā)送信標，接受其他網絡鏈接，成為第一級網絡。與主協(xié)調器建立了連接的設備都分配一16位的網絡地址。路由器根據其收到的協(xié)調器的信標的信息，配置并發(fā)送其自己的信標，允許其他設備與其建立連接，形成從設備--數(shù)據采集終端的第二級網絡。GPRS網絡將數(shù)據發(fā)送至監(jiān)控中心，形成三級網絡的信息數(shù)據鏈路。

4 硬件設計

4．1 硬件組成及功能

??? 系統(tǒng)硬件由數(shù)據采集傳感器、控制器、無線RF收發(fā)、存儲、電源、GPRS接收、監(jiān)控中心七個模塊組成。傳感器模塊由載荷傳感器、加速度傳感器ADX105構成，功能是用來收集油井現(xiàn)場的示功信息；控制器模塊為嵌入式系統(tǒng)ARM處理器，功能是進行數(shù)據的處理、功耗管理、同步定位、任務管理等操作；無線RF收發(fā)模塊是由Phipcon公司開發(fā)的CC2420RF芯片，功能是與其他RF模塊通信，傳輸油田現(xiàn)場的示功參數(shù)和控制信息；存儲模塊采用Samsung公司生產的NAND型FLASH存儲器K9F2808UOC，容量為8～128MB，負責數(shù)據存儲；電源模塊分為兩類：一類是高容量鋰電池；另一類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負責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)控中心模塊負責數(shù)據收集、整理與分析，并反饋控制命令。

4．2 硬件各模塊及功能

??? ZigBee技術支持兩種類型的物理設備：全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。油井現(xiàn)場參數(shù)采集終端是網絡中通信要求最低的部分，結構和功能簡單，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)據采集終端的通信模塊采用RFD；ZigBee路由器具備數(shù)據的存儲和收發(fā)能力、路由發(fā)現(xiàn)能力，從設備的連接、路由表的維護、數(shù)據的轉發(fā)，到維護網絡的鏈路等功能，采用FFD；ZigBee協(xié)調器始終處于工作狀態(tài)，是網絡的核心，除完成路由器的功能外，還有制定網絡規(guī)則，選擇合適信道，建立網絡并下發(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。聲光報警單元對異常情況報警。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交流電經過整流、穩(wěn)壓、濾波電路轉換成5V直流。ZigBee協(xié)調器模塊框圖如圖5所示。

??? 采集終端、路由器和協(xié)調器都有FLASH存儲器，系統(tǒng)在意外情況下，可海量存儲采集到的數(shù)據，防止數(shù)據丟失。終端和路由器采用鋰電池供電，協(xié)調器部分采用電源線供電，增強了電源模塊的穩(wěn)定性。

5 軟件設計

??? 軟件部分由監(jiān)控中心、ZigBee協(xié)調器通信、ZigBee路由通信、數(shù)據采集終端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)控中心程序負責對整個網絡的管理與控制，包括無線傳感器節(jié)點的MCU、RF收發(fā)、數(shù)據采集、狀態(tài)檢測、數(shù)據處理、以及對連接到節(jié)點的設備的控制(主程序如圖7所示)；ZigBee無線通信模塊程序負責數(shù)據無線收發(fā)，包括RF和基帶兩部分，前者提供數(shù)據通信的空中接口，后者提供鏈路的物理信道和數(shù)據分組；ZigBee路由器及協(xié)調器通信程序負責鏈路管理與控制，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關處理過程，包括建立鏈接、頻率選擇、鏈路類型支持、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)調器程序分別如圖8、9所示。

??? 軟件設計分數(shù)據采集、數(shù)據信息傳遞和監(jiān)控中心三個層次，其運行于數(shù)據采集和信息傳遞之間的程序采用C++Builder6．0或匯編語言實現(xiàn)控制程序語言編寫，經過ARM編譯系統(tǒng)生成執(zhí)行程序。監(jiān)控中心軟件由Vi sualBasic6．0開發(fā)，數(shù)據采用SQLServer數(shù)據庫存儲。IEEE802．15．4／ZigBee開發(fā)系統(tǒng)采用無線谷C51RF-3-ZMD2。軟件采用結構化設計，便于完善和維護，同時做到界面美觀，操作簡便。

6 系統(tǒng)低功耗設計

??? 在ZigBee的網絡節(jié)點中，只有考慮到MCU的功耗問題，才能真正做到節(jié)能降耗，ZigBee低功耗特點才能凸顯出來。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。其設備可大多時間進入睡眠狀態(tài)，周期性醒來。睡眠模式下，收發(fā)電路關閉，極大限度減少功耗，醒來時通過檢查信道，與協(xié)調器同步，發(fā)送或接收數(shù)據。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，振蕩器關閉，處理器狀態(tài)和寄存器、外設存器及內部SRAM值被保持。復位或特定的不需要時鐘仍能工作的中斷，可終止掉電模式并使芯片恢復正常運行。

??? 本文通過軟件控制，ARM芯片與CC2420間歇性地工作在接收狀態(tài)。不接收數(shù)據時，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通過外部中斷(CC2420的32kHz晶振的休眠模式定時器產生的外部中斷EINT3，15引腳)退出掉電模式，繼續(xù)工作。從而延長電池壽命，達到節(jié)能目的。

7 結束語

??? ZigBee技術是一種結構簡單、低功耗、低數(shù)據速率、低成本、高可靠性的雙向微功率網格式無線接入技術。集成了計算機技術、傳感器技術、無線寬帶通信技術、數(shù)字控制技術等諸多學科的技術。ZigBee技術與ARM技術結合使用，實現(xiàn)了油田信號傳輸?shù)臒o線化，頻譜利用高效化，生產信息化。在當今頻譜資源日益緊張，組網成本居高不下的情況下，深入研究ZigBee WSN具有深遠的意義。