油田井場工況監測中的ZigBee數據通信技術應用＊

任燕，劉嬌月

（河南工業職業技術學院，河南南陽473009）

油田井場工況監測中的ZigBee數據通信技術應用＊

任燕，劉嬌月

（河南工業職業技術學院，河南南陽473009）

摘要：設計了基于ZigBee無線傳感網絡技術的油田井場數據采集與通信系統，進行了傳感器接口、電源電路及無線通信等模塊的硬件設計與選型，開發了系統軟件。構建了現場局域網及廣域網兩級網絡通信結構。經現場實際應用證明井場數據采集和傳輸簡便、可靠、高效，設備功耗降低，實現了井場工況監測系統低成本運行。關鍵詞：無線傳感網絡；井場工況檢測；數據通信

1　引言

目前國內大多數油田井場工況主要監測手段仍然是人工定期巡檢的方法，在生產作業過程中人為因素使得測量數據誤差明顯、操作流程繁瑣。在已經采取數字化井場管理的油田中，主要采用GPRS技術用于數據的遠程傳輸，由于GPRS技術在數據網絡的可擴充性、可移植性等方面具有較大局限，設備投入和使用費用較高，不利于油田井場管理的數字化升級和推廣應用。個別井場使用微波與數傳電臺的方式采集數據，數據接口技術復雜，可靠性不高，整體使用效果不理想，使得現有數據采集與通信手段在技術和經濟上都不符合未來智慧油田的發展大趨勢。

ZigBee是一種低速率、近距離無線網絡技術，能耗低、通信效率高。符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用網絡通信標準。在環境監測、智能家居、工農業生產等領域的區域參數采集方面，應用日益廣泛。針對油田井場自動化平臺，本文采用ZigBee技術方案，設計了油田井場工況監測數據通信系統，實現了井場內監測數據的無線實時傳輸，促進了油田信息化、數字化監測技術發展［1］。

2　監測數據通信系統總體設計

系統主要由三部分組成：現場傳感器節點、協調器網關中心節點和上位機遠程監控中心節點。其中現場傳感器節點是采集井場工況參數數據的核心設備，采用ZigBee技術，由ZigBee組成網絡終端節點進行數據采集。終端設備可以通過軟件協調分時連接至多個路由設備從而與整個網絡通信。系統總體框圖如圖1所示。

網絡拓撲結構如圖2所示，傳感器節點具有本地數據采集傳輸和路由功能，其目的是為了實現數據的采集、融合和轉發，對采集到的數據和接收到的其他傳感器節點發送來的數據進行綜合，再轉發到協調器節點。網絡的中心是協調器節點，它具有網絡協調、網關功能，主要負責建立一個網絡并允許傳感器節點的加入，連接外部的通信設備，協調器節點通常連接到PC機或者使用其他方式（如Internet、移動通信網絡和衛星等）與外界通信。

系統可應用于井場內距離在ZigBee傳輸范圍內的多個機井，通過改變網絡拓撲結構，增加網絡中路由節點，使單井數據可以轉發即可。整個系統構建模式層面清晰，易于維護管理，減少了線路布設，降低了線纜鋪設費用，也降低了現場安裝工序的復雜程度，避免了工作狀態下線纜損壞而帶來的設備故障。GPRS通信終端數目的減少有效降低了設備運營產生的通信費用。自組織性能大大提高了數據傳輸能力，系統可移植性及可擴充性增強［2］。

圖2　數據采集網絡拓撲圖

圖1　油井遠程監控系統結構框圖

3　系統硬件設計

3．1現場傳感器節點設計

在系統終端采集節點功能簡單、結構精簡，采用蓄電池供電，應用CC2430內部定時時鐘產生中斷對其予以喚醒，多數時間終端節點處于睡眠模式，這種工作模式能夠最大程度節約電能。終端節點硬件框圖如圖3所示。

圖3　終端節點硬件框圖

該器件對電源敏感性要求相對不高，故電源模塊選用蓄電池為節點供電，以達到方便、便攜的目的。系統主要有兩個電源電路，一路5V電源為傳感器供電，一路3．3V電源為無線模塊供電。5V電源模塊選用一款1．25A的大電流、高精度、低壓差的LM2940芯片，工作時靜態電流低至240μA。

3．2節點傳感器模塊

現場傳感器節點被安裝在被監控對象上，采集抽油機井的載荷、位移等參量，為實現載荷、位移及電參數的實時采集，并與控制器及上位機監控系統進行通訊和實時傳輸。節點傳感器模塊主要包括：主電機參數檢測；減速器參數檢測與故障判斷；游梁位移傳感器檢測；曲柄角速度檢測；抽油機載荷檢測。

3．3網絡協調器節點（網關節點）設計

網關節點的功能包括建立網絡、無線收發數據等。系統設計匯總網關包含ZigBee無線網絡的協調器，即網絡的建立者，主要負責ZigBee和GPRS的雙向數據、轉換協議，其原理結構如圖4所示。

圖4　協調器節點原理結構圖

協調器節點（網關節點）一直保持工作狀態，偵聽監測網絡，執行各協議層的任務，隨時處理采集終端節點關聯、解關聯以及數據幀發送、接收請求等。各終端采集節點通過協調器與GPRS網絡校對時，使得網絡時間同步。通過GPRS網絡將數據發送回上位機監控室。ZigBee網絡中協調器與GPRS模塊之間通過串口連接，協調器將從終端子節點傳感器采集的數據匯聚后再傳至GPRS模塊內，通過內部的TCP／IP協議將數據打包封裝后發送至SGSN進而與GGSN溝通后，井場SGSN將數據包傳送到上位機監控中心。網關經過ZigBee網絡周期性采集抽油機井工況數據，再通過GPRS模塊實時地傳送至監測室中，監測中心接收到現場上傳來的數據后，通過內部網Intranet與管理終端實現共享。

3．4遠程監測中心

遠程監測中心是一個服務器，服務器上運行著上位機軟件，當遠程監測中心接受到無線傳感器網絡采集的數據后，該軟件可圖形化顯示遠程油田上的數據。

4　系統軟件設計

ZigBee節點的軟件設計開發是在IAR、Packet Sniffer、SmartRF04、Flash Programmer等軟件開發環境的聯合使用過程中進行的，主要是完成節點網絡的建立與維護、各工礦數據的采集處理、采集數據的實時傳輸等功能。傳感器通過ZigBee把采集到的數據傳輸到協調器。每一個單獨節點上裝載有載荷傳感器和角位移傳感器，傳感器節點采用命令工作的方式對數據進行采集［3］。

4．1數據采集程序設計

采集時刻到來時，傳感器節點首先要打開傳感器開關，待傳感器工作穩定以后，系統工況數據采集流程圖采集得到的模擬電壓值將會被送入到AD口轉換成數字量。本系統使用的是CC2530內部集成的AD轉換器，此AD轉換器支持14位的模擬數字轉換，具有多達12位的ENOB，包括一個模擬多路轉換器，8個各自可配置的通道，可接受單端或者差分信號，以及擁有一個參考電壓發生器。

ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD轉換控制寄存器2）、ADCCON3（單通道AD轉換控制器2）、ADCL（ADC數據低位）、ADCH（ADC數據高位）。

4．2數據傳輸程序設計

傳感器節點直接與協調器節點進行通信，該過程中傳感器節點一直處于休眠狀態。協調器節點組網完成后，開始發送廣播幀通知覆蓋所有傳感器節點，組建網絡。協調器接收到傳感器的入網命令后，要將此傳感器節點的IEEE地址保存下來，并立即向傳感器節點發送響應幀，允許此傳感器節點

圖5　網關節點工作流程圖

加入該網絡，協調器節點將一直進行組網操作，直至整個超幀完結［1，3］。

4．3網關節點工作流程

網關節點中ZigBee網絡協調器主控器將采集的工況數據通過RS－232串口傳送GPRS模塊，GPRS模塊內置TCP／IP協議會將數據打包發送至SGSN，進而與GGSN通信溝通后對數據進行處理后，經SGSN發送至監測中心。網關節點工作流程圖如圖5所示。

5　結論

在單井區范圍局域內內引入ZigBee技術，由終端節點傳感器采集監測抽油機工作情況的各個參量，進行數據采集傳輸，廣域上采用GPRS的兩層傳輸網絡架構，數據包經由GPRS網絡進行統一遠程傳輸至Internet，很大程度上能提高數據的集中化管理和互通。該設計融合了兩種無線傳輸手段的優勢，搭建的網絡結構具有傳輸可靠性高、抗干擾性能強、網絡結構簡單明了等優點，可以自動管理、組網靈活、具有較強的可擴展性，經濟性能高，在油田井場抽油機工況實時監控方面具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

［1］曲鵬．基于ZigBee游梁式抽油機工況監測與故障診斷系統研究［D］．大慶：東北石油大學，2013．

［2］何建中．抽油機在線監測及自動控制技術研究與應用［J］．石油機械，2012，40（2）：51－53．

［3］陳兆安，任曉峰，譚濱等．油田井場數字化集成監控裝置的研制［J］．油氣田地面工程，2013，（11）．

中圖分類號：TE933

文獻標識碼：A

基金項目：＊河南省科技攻關計劃項目（142142214251）

文章編號：1005—7277（2015）03—0042—03

收稿日期：2014－11－20

Application of ZigBee data communication technology in the working condition monitoring of oilfield well site

REN Yan，LIU Jiao－yue
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

Abstract：The data acquisition and communication system of oilfield well site based on ZigBee wireless sensor network technology is designed．The module hardware design and type selection of sensor interface，power supply circuit and wireless communication are carried out，and the system software is also developed．The two－level network communication structure of LAN and WAN is built．The actual application proves that the data acquisition and transmission on well site is simple，reliable and efficient，as well as the power consumption of equipment is greatly reduced．The low cost operation of condition monitoring system in well site can be realized．

Key words：wireless sensor network；well site working condition testing；data communication