基于ZigBee的油井无线数据采集系统的设计

摘要：针时当代油田井口数据采集困难以及现场监测工作困难的现状，应用ZigBee技术设计了一个无线传感器网络系统来实现对油田数据的采集，以及对油田实时监控管理。其中无线传感器选用JN5139芯片作为主控芯片来设计网络中的协调器与终端节点，并且编写了芯片相应的控制程序。经过网络节点测试，系统满足灵敏度设计要求。
关键词：ZigBee；数据采集；实时监控；JN5139

    据了解，一个油田的生产组织结构非常复杂，一个油田的采油场由多口油井以及其他分散设施组成。鉴于油井数量众多，而且分布的范围也由几十平方公里扩展到上百平方公里，交通条件往往十分恶劣，而且自然环境也十分恶劣，昼夜温差极大，直接导致对井口数据采集以及对现场监测的工作难度增加。后来随着技术的发展，出现了应用GPRS，GSM，蓝牙(Bluetooth)技术来采集这些数据的方法，但是经过一些油田的使用发现也存在一些问题。例如这些设备造价昂贵，维护和运营费用高。针对此种情况，本文采用了ZigBee技术来设计了一个无线传感器网络系统来实现油田数据的采集以及监控管理。

1 网络系统架构、通信协议和节点布置
    油井无线数据采集的网络架构图如图1所示。

1．1 网络系统架构
    1)单个油井的无线传感器网络  这一小的无线网络主要由布置在油井各位置的无线传感器组成，主要采集油井的脉冲、载荷、出油口的温度和压力。无线传感器由相应的传感器结合ZigBee模块开发，无线通讯距离小于100 m，传感器和油井的数据采集控制器之间互相组成了ZigBee网络。全部的数据最终集中到数据采集器中进行处理和计算，然后数据将通过另一无线网络上传。
    2)油井间的无线网络  这一网络由油井间的数据集中控制器组成，数据集中控制器在系统中充当了网关的功能，将单个油井的数据进行整理后再通过油井间的无线网络上传到监控中心。数据集中控制器采用短距离的无线模块(通讯距离小于100 m)结合大功率无线模块(通讯距离小于1 000 m)开发，实现了传感器数据的跨网段传输。
    3)监控中心  监控中心采用相应的PC服务器和数据库系统对数据进行分析和存储。管理人员可以随时了解各油井的工作情况和产量。
1．2 通信协议
    IEEE 802．15．4规定ZigBee协议的帧结构由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和5部分构成，其格式如图2所示。

    “数据模式”、“目的地址”、“数据长度”各占用一个字节。其中，“目的地址”表示此帧要发送的目的位置，即网络节点号；“数据长度”表示该帧中数据信息的长度；“数据信息”表示要传送的命令或有效数据，它所占用的字节数由所发送的数据长度决定；“校验和”也占用一个字节。
    油田数据采集系统的通信协议结构是建立在IEEE802．15．4规定的ZigBee协议的基础之上的，仅对其中的“数据信息”字段部分进行设计。将“数据信息”字段划分为“节点信息”、“功能编码”、“数据”3部分，如图3所示。

    “节点信息”字段数据长度为1字节，其是低4位为RFD节点号，高4位为FFD节点号。根据高4位将数据帧发送到对应的RFD，即对应的现场采集点。
1. 3 节点布置
    在无线传感器网络中，通过飞机布撒或者人工布置等方式，可以将大量的节点放在被测对象的内部或者附近。这些节点采用自组织的方式构成无线网络，之间相互协作，实时地感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳中继方式将数据传给汇聚节点，最后由汇聚节点将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时操控。

2 ZigBee技术
    ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据可以进入计算机，用于分析或者被另外一种无线技术收集。使
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3 传感器节点设计
    在无线传感器节点各单元中，核心单元为处理器单元及射频单元。处理器单元决定节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度，因此不同处理器的选用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。射频单元的选择直接影响无线通信使用的频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。
    本系统选用目前较为广泛的JENNIC公司的JN5139作为主控芯片，以此设计出网络中的协调器与终端节点。
    JN5139是低功耗低成本适合于IEEE 802．15．4和ZigBee应用的无线微控制器。在单芯片内集成了用于无线传感器网络的收发器和微控制器；成本敏感的ROM／RAM架构，满足了批量应用的需要；元件数量少和成本低，从而实现了低系统BOM；硬件MAC可以保证实现低功耗和低处理器开销；大量用户外设；与JN5121引脚兼容，从而轻松实现了移植。它的内部结构图如图4所示。

    数据采集节点硬件一般包括传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块。JN5139将处理器模块和无线通信模块整合在一起，所以只需要将传感器模块与电源模块与之相连即可，如图5所示。

    鉴于无线传感器节点是在户外工作，更换电池不太容易，且减小节点体积，所以采用可充电锂离子钮扣电池供电。一些传感器电路的工作电流较强，因此应该采用突发式工作的方式，即在需要采集数据时才打开传感电路工作，从而降低能耗。由于一般的传感器都不具备休眠模式，因此最方便的办法是控制传感器的电源开关，实现对传感器的状态控制。对于仅需要小电池驱动的传感器，可以考虑直接采用MCU的I／O端口作为供电电源，这种控制方式简单而灵活； 对于需要大电流驱动的传感器，宜采用漏电流较小的开关场效应管控制传感器的供电。

4 软件设计
    整个无线通信程序包括系统初始化、数据发送和接收3个部分。发射过程由软件写数据到TX／RX帧缓存器，这些数据和某些参数例如目的地地址和容许重测次数一起被传送，对协议定时器进行编程来标明发送数据帧时刻。这个时刻由被跟踪协议高层的软件所决定，一旦信息包被准备好和协议定时设定好，管控方将控制其传输。当信息按照预定时刻到达，管控方控制无线电和调制解调器时序来执行需求传输类型。它可以按照IEEE 802．15．4标准要求在没有处理器介入(包括要求重新测试和随机backoffs)执行全部的工作步骤。
    当传输开始时，数据帧标头是根据软件编排的参数而创立，通过将数据串行化到调制解调器发射出去。同时无线电准备传输，在从bits-tream到调制解调器的通道中，它经过一个CRC(循环冗余码校验)通过在运行时进行校验计算的校验产生器，把它加到数据帧的末尾。
    如利用跟踪访问，在传输时定位跟踪有可能超过定时，基本频带处理器会自发地处理这种情况并通过中断方式来通知协议软件，这显然比当超时时再要求处理更好一点。
    接收时，无线电接收装置在一个特别频道来接收。一收到来自调制解调器的数据，数据帧被直接转换成TX／RX帧放在缓冲器内，在那里帧首和数据可以被协议软件阅读出来。一收到帧标题可能会产生一个中断。正如数据帧来源于经过校验发生器的调制解调器，在接收端末端的校验结果同整个信息末端相比较，来确定最后接收的数据是正确的。
    接收过程中，Modem要确认接收连接质量，确保接收最后结果可利用的，让它符合802．15．4标准要求。终端节点以及网络协调器的软件流程图如图6所示。

5 网络节点性能测试
    测试时让两个节点互发数据，且两节点间无任何障碍物，测试节点接收灵敏度。这里还需要考虑通信时延的问题，时延包括协议栈时延和空中传播的时延，空中传播时延可以忽略不计，因此主要考虑协议栈时延。协议栈时延从发送消息函数开始到无线目标实际开始物理发射为止。由于条件有限，无法做出实际的结果。但是一般的情况下，协议栈发射时延约为550μs，接收时延约为600μs。

6 结论
    本文利用Zigbee无线组网技术设计一套油田井口无线数据采集系统，成功地解决了油田井口数据采集困难的问题，实现了油田生产管理和油井、管线维护监控的信息化、自动化，极大地提高了工作效率，降低网络组建和运行的成本。