２４ＸＳｔｒｅａｍ無線模塊在錄井數據傳輸系統的應用

于云華　鄭淑慧　戴永壽　孫洪濤

摘要：在錄井無線數據采集與傳輸系統中，數據傳輸采用無線方式，系統采用太陽能供電，一方面要保證數據準確性，同時要降低系統功耗。本文介紹了采用2.4GHz的XStream錄井無線數據傳輸系統的整體設計方案。現場應用表明，無線傳輸系統能夠低功耗、高可靠性地穩定工作，完全滿足錄井現場的數據傳輸要求。

關鍵詞：24XStream錄井數據傳輸；低功耗；無線模塊

引言

在傳統的石油錄井工業中，數據信號傳輸是采用“一對一”方式的RS-485總線傳輸，技術含量低、通用性差、可靠性低。近年來，基于現場總線的數據傳輸方式得到發展，國內外先后出現了基于現場總線(Lon Works、CAN等)的錄井儀器設備。現場總線技術的使用一定程度上減小了布線工作量，但由于有線供電的需要，也無法大量減少布線。而且，必須在開鉆前鋪設好通訊線路和供電線路，在井場搬遷過程中拆卸和安裝工作量大，容易導致設備的損壞。特別是小型錄井儀，主要應用于生產井，測量參數較少，鉆井周期較短，這樣傳感器的拆裝工作就顯得尤為繁瑣。根據小型錄井儀的應用特點，將短距離無線數據傳輸技術引入錄井數據傳輸系統，取代井場上工程參數短距離有線線纜傳輸，可以避免以上所述的各種弊端。

無線傳輸方式與無線電臺的選擇

在錄井工程中，根據生產現場情況的不同，現場傳感器與儀器房之間的距離在幾十米到幾百米不等，屬于短距離無線通信。目前可應用于工業領域的短距離無線通信技術主要有：紅外線數據傳輸(IrDA)、無線局域網802.11(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee和超寬帶無線電(UWB)等，這些技術各有特點和適用范圍。

紅外線數據傳輸不受無線電干擾，不需要申請頻率，但它是一種視距傳輸，兩個相互通信的設備之間必須對準、通視，中間不能有阻擋。由于井場上各傳感器的位置、距離等不確定，因此，不適合用于井場數據傳輸。

無線局域網802.11b技術是一種基于電磁波傳輸的無線通信技術，使用2.4GHz ISM頻段。該通訊方式具有速率高(可達11Mbit／s)、覆蓋范圍大(可達300m)的特點，但是它的功耗過大，對于使用電池供電的錄井傳感器而言是個致命缺陷。

藍牙技術同樣是一種基于電磁波傳輸的無線短距離通信技術，通信頻段亦為2.4GHzISM頻段，可提供1Mbit／s傳輸速率和10m傳輸距離。

ZigBee技術基于IEEE 802.15.4標準，工作在2.4GHz ISM公共頻段。有效覆蓋范圍10～75m之間，數據傳輸速率10kB／s～250kB／s。

超寬帶無線電是近年來發展迅猛的新型通信方式，它是基于沖激脈沖自身的寬頻譜特性，通過對具有特殊波形的沖激脈沖進行調制獲得載有信息且符合頻帶要求的無線電信號。超寬帶無線電直接發射脈沖，不需中頻和射頻電路，有利于減小體積和降低能源消耗。

綜合考慮可靠性、數據傳輸實時性、低功耗和成本等各種因素，采用美國MaxStream公司的低功耗、高速無線數傳電臺24XStream，具有以下突出特點：工作頻率為2.4GHz，該頻段無授權限制，同時避免了同現場低頻信號及公用無線通信頻段的碰撞，傳輸可靠；使用時只要將DB9接口與PC或微處理器相連，通過串口向電臺發送數據，在另一端從電臺串口讀取數據就能實現無線通信；工業級產品工作溫度40～85℃，可以滿足鉆井現場要求；傳輸距離在室內或城市不接天線工作也能達到180m的傳輸距離，在室外空曠地區配以天線傳輸距離高達幾千米，可以滿足錄井現場的應用條件要求。

錄井無線數據傳輸系統的設計與實現

系統結構設計如圖1所示，將井場采集板和數傳電臺通過串口連接，采集的數據由測量節點發送到錄井儀器房。錄井儀器房主計算機與現場無線采集傳輸節點之間的通信網絡結構是一點對多點的主從結構，數據傳輸量不大，由主計算機來按照一定的周期，通過指令依次巡檢各個現場無線采集傳輸模塊并收集數據。

錄井無線數據傳輸的通信協議

系統采用異步串行通信方式傳輸測量數據，錄井無線數據傳輸工作流程如下：

·主計算機發出命令，要求某個現場無線采集傳輸模塊采集信號并上傳數據；

·相應的現場無線采集傳輸模塊接收到命令后采集被測參數信號，并把處理后數據發送到主計算機；

·該現場無線采集傳輸模塊上傳數據之后進入等待狀態，直到監控計算機巡檢完所有的無線采集模塊后，再次向該采集傳輸模塊發出命令。

系統是一點對多點通信，需要進行數字電臺與單片機、終端主控機的通信協議的設計。數傳電臺24XStream點對點之間有固有的通信協議，具有自己的幀格式標準，對所傳輸數據采用CRC校驗。對用戶來說，數據傳輸是透明的。用戶可以根據應用系統要求，在外部再封裝一層自己的協議，進一步提高數據準確性。

本系統采取9600bit／s串口通信速率。單片機讀取到前端數據后，首先將數據打包、加幀頭、加校驗碼和填充數據以構成傳輸幀，而后將數據經由串行口發送至無線傳輸電臺，在2.4GHz的頻段上調制后以9600bit／s的數據率進行無線發射。

由于錄井數據采集與傳輸節點個數有多個，而且在錄井過程中是同時在工作的，為了保證數據傳輸的實時性，要實現輪循工作。賦予每個節點一個地址，在每幀數據中引入了對每塊數據采集板的編號，即給每塊采集板賦予不同的地址，按地址循環訪問，構成一個由一臺主機和多個傳感器節點組成的通信網絡。上位機訪問節點時就發出相應地址命令，下位機將數據封裝為一個幀，將地址字節作為該幀幀頭，上位機根據幀頭分離數據類型，將收到的數據分別存儲到對應的數據庫，做數據的處理和解釋。

通信首先必須實現正確雙方的正確握手，令上位機電臺站發送一個字節地址，下位機在收到1個字節后與本節點原始固定地址進行比較驗證，地址與本節點地址相符后，即驗證通過，握手成功，表示上位機有數據發送請求，下位機準備數據讀取的動作，之后上傳實際測量的物理量字節；如沒有收到本節點地址信息，則未通過，不會啟動上傳數據程序。規定一幀數據包含6個字節，第1個字節是數據源地址標識，第2、3、4個字節是對應物理量的十六進制表示值，第5個字節是鉛酸蓄電池電壓值，最后一個字節是和校驗字節，系統中采用和校驗，對一幀數據的前5個字節進行加和運算。上位機收到一幀數據后，進行同樣的運算，將運算結果同本幀數據的最后一個字節進行比較，如若相同，則數據正確；如若不同，表示該幀數據出錯，予以丟棄。

現場應用試驗證明，在錄井系統這種數據傳輸速率要求不高、數據量不大的應用情況下，以上協議可以滿足系統要求。