基于ZigBee無線傳感器網絡的井場環境監測系統設計

仝 迪 牟建云 甯 鴻 余海濤 張 平

（西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500）

0 前言

國內外許多油田都需要對井場生產進行相應的設備管理和安全維護，比如輸油管路的防凍、有毒有害易燃氣體的泄漏等，因此對井場的各種環境參數監測顯得尤為重要[1]。而傳統的油田井場環境監測基于有線通訊系統，存在諸多不足。因此需要選擇新型的數據傳輸通訊方式即無線傳感器網絡[2]。

國外較早就著手無線傳感器網絡研究，美國軍方遠景研究計劃局推出了WEBS、SCADDS等一系列項目[3]，康奈爾大學研究了無線傳感器網絡基礎理論和關機技術，麻省理工學院開始研究用于超低功耗無線傳感器網絡的方法和技術[3]。

國內也已經進行了許多無線傳感器網絡方面的研究，其中浙江大學正在進行無線傳感器網絡硬件實現方面的研究工作；此外諸如中科院計算機所、自動化所等也在進行無線傳感器網絡技術的研究[4]。雖然國內在進行這方面的研究，但仍處于起步階段。

目前，環境監測是無線傳感器網絡研究和應用的重要領域。本文針對新疆地區油田井場環境復雜、監控難、安全事故易發等缺點，為適應數字化油田發展方向，設計一套基于Zigbee無線傳感器網絡的井場環境監測系統，實現對油田井場環境溫度、濕度、有毒有害易燃氣體的泄漏等信息的實時精確測量，及時獲取不利于井場生產安全的環境因數并給生產管理人員提供準確的數據,為油田的安全生產、提供了重要的技術支持和保障。

1 井場環境監測系統結構與工作原理

圖1 系統結構圖

系統原理圖如圖1所示。井場環境監測系統由上位機軟件系統和下位機Zigbee無線傳感器網絡組成。而下位機ZigBee無線傳傳感器網絡又由協調器節點、路由器節點以及大量的傳感器節點組成。傳感器節點以及路由器節點設計有溫濕度傳感器、天然氣傳感器、煙霧傳感器、光照傳感器等用于采集井場各個井的環境參數信息；協調器節點負責建立數據傳輸網絡，同時兼顧發送和接收相關指令[5-6]；上位機系統通過將協調器傳輸過來的井場環境數據信息存儲、分析和顯示。

系統工作原理：下位機傳感器網絡節點實時采集分布于井場內的各個井口的溫濕度、有害氣體泄漏、光照等重要的環境數據信息。當協調器節點上電建立無線網絡后，通過ZigBee無線方式與傳感器節點連接，傳感器節點自動實現與協調器節點對話并做出匹配并加入ZigBee無線網絡[6]。此時，傳感器網絡節點采集到的數據就可通過ZigBee無線網絡傳遞至協調器進一步將數據傳輸到上位機軟件系統，上位機軟件系統實現數據的存儲、分析和顯示，實現對井場的環境參數進行有效監測。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器節點設計

圖2 傳感器節點系統框圖

在井場環境監測系統中，無線傳感器節點系統如圖2所示。傳感器節點硬件由數據采集模塊，處理器、存儲器模塊，無線通信模塊以及電源模塊實現。

2.1.1 數據采集模塊硬件設計

在本系統設計中，數據采集模塊包含多種類型的傳感器。溫、濕度傳感器主要用于采集井口的溫度和濕度，設計中考慮新疆油田地區，晝夜溫差大，選擇具有標準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器DHT11，該傳感器具有單線制串行接口[7]，直接讀取溫濕度數據，抗干擾能力強。

天然氣傳感器主要用于檢測井口采油樹中套管氣（主要成分為天然氣），這里選擇MQ-2型氣體傳感器。光照傳感器選擇兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器BH1750FVI；硫化氫傳感器主要用于檢測井口硫化氫氣體泄漏量，選擇MQ135型氣體傳感器。煙霧傳感器選擇MQ-4型氣體傳感器。

2.1.2 無線通信模塊硬件設計

無線通信模塊選擇CC2530集成芯片模塊，它集成高性能的RF收發器和一個增強型的8051微處理器，擁有較大的閃存空間最大可達256K[8]，同時該模塊支持IEEE802.15.4/Zigbee/ZigbeeRF4CE標準，無線通信采用芯片所集成的2.4GHz IEEE802.15.4標準射頻發射器，該發射器具有較為優秀的接收靈敏度和抗干擾能力。

2.1.3 太陽能電源管理設計

傳感器節點的各部分器件需要不同電源供電，為充分利用新疆地區光照條件，設計通過太陽能轉化為電能對系統供電，系統采用4.2V5000mAh大容量鋰電池收集并存儲從太陽能電池板收集到的能量，可在無光照的條件下向系統持續供電，以保證系統不間斷運行[5]。同時設計對應的電源管理模塊，包括DC-DC升降壓模塊、升壓模塊、充放電保護模塊等。

DC-DC升降壓模塊設計如圖3所示，該模塊由升降壓芯片XL6009及其周圍元件組成，其作用是將太陽能電池板輸入的+6V直流電降為鋰電池的充電電壓4.2V，通過充電管理模塊實現對鋰電池的安全充電。升壓模塊電路由高效率、直流升壓穩壓器件B6284X及周圍元器件組成，該電路的作用是將3.3V低壓轉換成。

圖3 DC-DC升降壓模塊電路圖

2.2 協調器節點硬件設計

協調器節點負責調度各傳感器節點工作,其運行直接影響系統的穩定性。協調器節點采用CC2530芯片，為使協調器能夠實現CC2530芯片與上位機軟件系統通信，本設計通訊接口采用標準的RS232,將采集到的數據通過串口上傳給計算機,電路原理如圖4所示。

圖4 協調器電路圖

3 軟件系統設計

3.1 系統軟件流程

為滿足系統低功耗要求，軟件設計中采用了休眠、喚醒的工作方式，即在上位機軟件系統未發送數據查詢命令時，傳感器節點處于休眠狀態，當接收到命令進入喚醒工作狀態，完成數據的采集和發送等。系統工作流程如圖5所示。

圖5 系統軟件流程圖

3.2 上位機軟件系統設計

監測系統上位機軟件系統主要由數據通信模塊、數據存儲模塊、數據顯示模塊等組成。軟件運行需要對串口進行初始化設置，接著上位機就可以通過串口向協調器發送控制指令[6]，當傳感器節點接收到指令進入喚醒狀態后加入ZigBee網絡，傳感器開始進行井場環境參數數據的采集，最終數據通過傳感器節點傳遞到協調器節點進而傳遞到上位機軟件系統進行存儲、分析和顯示。軟件系統如下圖6所示。

圖6 上位機軟件顯示界面圖

4 井場環境監測系統實現

設計的井場環境監測系統由上位機軟件系統和下位機傳感器網絡組成。最終系統實現在實驗條件下完成相應的環境參數采集顯示等功能，系統實驗結果說明設計的該套系統網絡組建靈活方便，數據采集、傳輸快捷，容量大，具有較強的穩定性、可靠性，滿足井場環境的監測相關指標。系統整體實物如圖7所示。

圖7 系統整體實物圖

5 結論

設計的基于ZigBee無線傳感器網絡井場環境監測系統，從技術層面上有效解決了油田井場環境復雜、監控難、安全事故易發等缺點。結合新疆地區光照強的特點，系統設計采用太陽能供電技術，解決了系統組網供電等困難，同時設計休眠、喚醒工作模式，減低系統功耗，保證系統能夠晝夜不間斷工作。最后實驗測試驗證系統設計合理可靠，組網簡單，數據采集傳輸方便快捷，能有效改善現有的井場環境監測模式，并降低生產管理成本。

[1]王小強,歐陽駿,黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京:化學工業出版社,2012.

[2]蔣鵬.基于無線傳感器網絡的濕地水環境遠程實時監測系統關鍵技術研究[J].傳感技術學報,2007,20(1):183-186.

[3]鄒賽,劉昌明,李法平.基于無線傳感器網絡的水環境監測系統[J].傳感器與微系統,2010,29(9):104－109.

[4]王福祿,方俊龍.基于無線傳感器網絡技術的溫室環境監測系統的研究[J].自動化技術與應用,2009,28(10):53-56.

[5]劉玉梅,張長利,等.基于ZigBee技術的水產養殖環境監測系統設計[J].自動化技術與應用,2011,30(11):50-53.

[6]Willig A.Wireless Sensor Networks:concept，Challenges and Approaches[J].Elektrotechnik and informationstechnik,2006(6):224－231.

[7]Cheng Wang,Chunjiang Zhao,Xiaojun Qiao,et al.The Design of Wireless Sensor Networks Node for Measuring the Greenhouse’s Environment Parameters[C]//The International Federation for Information Processing.Springer US,2008:1037－1046.

[8]沙國榮,趙不賄,景亮,等.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室大棚環境監控系統設計[J].電子技術應用,2012,38(1):60-65.