Zigbee技術在油田遠程監控系統中的應用

張少軒 劉甜 保定職業技術學院

Zigbee技術在油田遠程監控系統中的應用

張少軒 劉甜 保定職業技術學院

新型Zigbee技術具有低功耗、低成本、系統維護簡單的特點，這種無線組網技術能夠快速構建油田遠程智能無線監控系統，提高油田生產管理、監控工作的有效性。Zigbee應用于油田遠程智能監控系統中的終端主要由信息數據采集部分、電路輸出部分和電腦微控制器組成。對監控系統設備的功耗情況進行抽查與歸納分析發現，設備中一節AAA堿性電池電量為1000mA，在全工作狀態下可以連續工作40h；如果是在節能精簡狀態下，則能夠工作200h以上；在全待機狀態下能夠工作2777h以上。

Zigbee；信息；油田遠程監控系統；能耗；應用

1 Zigbee技術特點

隨著工業自動化不斷發展，各個領域對于通信傳輸需求不斷提高，尤其是對無線數據傳輸的需求與日俱增，因此誕生出了一種新型短距離、低速率的無線網絡傳輸系統，即Zigbee。這種新型技術介于無線標記技術和藍牙技術之間，依靠近距離的無線網絡連接實現，設計基礎為IEEE802.15.4。

在整個Zigbee網絡信息傳輸范圍內，能夠使無線傳輸模塊實現各個網絡節點之間的傳輸工作，讓每個網絡節點之間的距離拓展到從最開始的75m至之后的幾百米，甚至幾公里之外，加強了網絡傳輸距離，克服了傳統通信技術傳輸距離較短的弊端。

Zigbee網絡另外一個明顯優勢就是可以與現存的多個網絡實現交互傳播，在信號覆蓋范圍內，每個Zigbee的全功能設備網絡節點可與多個簡化功能設備子節點進行無線連接，不會因承擔網絡信息中轉任務而被孤立。根據不同功能Zigbee技術的網絡節點可以分為全功能設備節點和簡化功能設備節點兩類。

2 油田遠程智能監控系統

（1）系統終端設備設計。Zigbee應用于油田遠程智能監控系統中的終端主要由信息數據采集部分、電路輸出部分和電腦微控制器組成。系統終端設備是為了實現油田采集地段的溫度信息搜集與輸送功能，它會依據控制器中普遍的運行規律或者是機器設備中常用的操控命令來達到對這些設備的預加熱目的。整個系統是依靠鋰電池來實現內部的供電過程，并且只有當設備進入信息搜集、傳輸與控制功能狀態時，才會轉變為工作運行狀態；在其他時間內，系統會長期處于低耗能狀態，進而節省了電能。

（2）系統設計。該控制系統主要用于檢測場內各種設施的工作狀態，對采出油品的數據進行科學分析。通過對這些設施的工作狀態以及整個采油溫度、壓力、流量等數據進行分析，及時給調度反饋生產第一線的信息。運用無線傳感器網絡（由Zigbee技術組成）可以減少停機時間，提高工作效率以及經濟效益，實現油田生產管理和維護監控的信息規范化，最終使石油產量增加。

（3）智能監控傳輸系統實現的功能。基于Zigbee的油田遠程測控系統為集散式控制結構，通過調整電潛螺桿泵井電流，油井表面溫度、壓力值，內部溫度等多個參數，實現Zigbee移動通訊信道的傳輸功能。為了能夠準確掌握管理轄區內各種油井的狀況，可以應用Zigbee系統來處理發現的隱患，再借助遠程遙控停止設備運行。Zigbee網絡與移動網絡GPRS相連，可以將采集存儲數據和信息傳至油田數據管理中心，并解決原有采集點處在盲區的問題。因為Zigbee網絡中的全功能設備處可以覆蓋到其他區域，即便采集點數據處在盲區，依舊能夠依靠Zigbee技術進行無線網絡傳輸。這種方法不僅有助于節約企業成本，并且能夠擴寬現代無線網絡覆蓋范圍，促進油田遠程監控網絡的發展。

（4）網絡通信協議幀結構。Zigbee協議幀結構中的目的地址包含了監控網絡數據節點，數據信息代表了系統中的有效數據與傳輸命令，由所發送的數據長度決定所占用的字節。由于油田遠程監控系統的通信幀結構是建立在IEEE802.15.4基礎上，因此設計任務時主要對其中的數據信息字段部分進行設計就可以了。

（5）系統信息處理部分。假如在監控系統設備的電路檢測中發現被監控主體產生變化，那么在系統終端的Zigbee傳輸信息模塊也會相應地對相關信息數據采取處理措施，迅速構建連接，并且將所獲得信息反饋回網絡基站。這種無線監控傳感器設備運轉過程中有90%以上時間處于低耗能狀態，并在傳輸過程保持十幾微安的電流耗能，延長了系統設備的電池使用壽命，實現了降低成本的目標。

3 實驗分析

（1）監控網絡系統通信距離測試。在系統測試過程中，設置兩個監控系統節點，一個是終端采集信息傳感器節點，另一個是接受數據的網絡協調器節點。將信息反饋到主控制機器設備上，在保證室內沒有障礙物的情況下，通信系統的有效通信距離達到100m；如果室內通信有墻阻隔時，通信距離在60m內能保持穩定性；在有過多障礙物或距離大于100m，通信的質量變差。采取在兩個通信設備節點之間架構一個路由節點的做法，可以較好地提高監控質量。

（2）系統功耗測試。對監控系統設備的功耗情況進行抽查與歸納分析發現，設備中一節AAA堿性電池電量為1000mA，其在全工作狀態下可以連續工作40h；如果是在節能精簡狀態下，則能夠工作200h以上；在全待機狀態下能夠工作2777h以上。這充分說明選擇Zigbee節點可以節省成本、降低能耗，因此值得在油田監控系統中應用。

4 結語

新型Zigbee技術具有低功耗、低成本、系統維護簡單的特點，這種無線組網技術能夠快速構建油田遠程智能無線監控系統，提高油田生產管理、監控工作有效性，可解決信基站系統帶來的建設費用昂貴、存在盲區的問題，在油田企業具有廣闊的發展前景。

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.4.030

基金論文：2012年浙江省科技廳高技能人才培養和技術創新活動計劃項目（2012R30028）。