油田物聯網數據傳輸

摘要：通過對油田物聯網中各個節點的分析，將油田數據傳輸網絡分為 2 級網絡結構，現場層次由能自組網、自恢復的 zigbee 樹形網絡實現。普通節點采集數據發送到小區中心節點，中心節點通過 GPRS 或 CDMA 網絡將數據發送至遠程的數據服務器。風險分析應隨著油田物聯網的不斷建設逐步開展，油田物聯網生命周期的不同階段也需要進行風險分析。

關鍵詞：油田物聯網；HART；Zigbee；風險識別

一、理論網絡結構模型

（一）單層網絡結構

在現有的自動化油田數據采集傳輸方案中，為一臺油井設備通過有線或無線方式接載多路傳感器，經過中心節點進行數據采集，收集各路數據之后，通過有線或無線的方式傳送至數據中心，如圖1所示。這種網絡結構要求每臺抽油機或其他設備，均通過有線或無線方式與數據中心連接。這種網絡結構的優點是：結構簡單，傳輸可靠，抗干擾能力強。一個設備的損壞或者線路故障時，不會影響其它油井正常使用，不會造成整個系統崩潰，系統的安全可靠性比較高。

（二）多層網絡結構

另外一種方案是將油田數據采集網絡結構分為兩個層次，如圖2所示。每個工作小區現場布設普通節點和小區中心節點，小區中心為整個小區傳感網絡的中心，收集數據或轉達命令，其通過現有的網絡和架設在機房的服務器聯系。

二、小區內數據傳輸方式選擇

（一）傳感器與節點之間

1、有線方式

傳感器與節點之間的有線數據傳輸方式，當前比較常用的是HART（Highway Addressable Remote Transducer），可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，是美國Rosement公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經過10 多年的發展，HART技術在國外已經十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業標準。

2、 無線方式

傳感器與節點之間若采用無線數據傳輸方式，比較常用的是433MHz和Zigbee 無線技術，它們都屬于近距離無線訊技術，并且都使用ISM免執照頻段，但它們各具特點。433MHz技術使用433MHz無線頻段，因此相比于Zigbee，433MHz的顯著優勢是無線信號的穿透性強、能夠傳播得更遠。

（二）普通節點與小區中心節點數據傳輸方式選擇

普通節點與小區中心節點數據傳輸無線方式與上述無線傳感器方案一樣，Zigbee是比較好的選擇。而有線方式則可在幾種流行的通訊方式如里選擇。目前廣泛使用的串行通訊接口為RS-232C。但RS-232C在分布式監控系統中作為多機通訊使用有以下幾點不足：1）數據傳輸率局限于20 kbit/s，傳輸距離局限于15m。2）不能避免共模信號在通訊中的干擾。3）只適用于點對點的通訊，無法用最少的信號線實現多點對多點的通訊。RS-422（全雙工）和RS-485（半雙工）串行接口總線正是為了克服上述缺點而設計的標準接口。RS-422需要兩對平衡差分信號線，而RS-485只需其中一對，對于多機連接更為便利，因此，選用了RS-485作為聯網的通訊是最佳選擇方案。485總線是一種用于設備聯網的、經濟型的、傳統的工業總線方式。主要特點如下：1）RS-485的數據最高傳輸速率為10 Mbps。2）RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。3）RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000m，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。

（三）數據傳輸類別

數據常規上行是指各節點按照設定的采集間隔將數據采集并上傳，其流程如圖3所示。

1、數據按需上行，除了常規按間隔采集數據之外，在某些情況下，控制人員需要查看即時數據，這時就需要數據按需上行模式，這種模式采用一問一答模式。

三、 實現Internet 接入的方法

由圖1可知，除具有與現場設備通信的能力外，基站還具有通過GPRS網絡接入Internet的能力。針對傳感節點的資源現狀和WSN的應用領域，雖然國內外存在眾多不同的網絡組織管理方案以及路由算法，但基站普遍被作為數據中心和控制中心[3]。

四、網絡節點的硬件設計

（一）節點硬件結構

小區中心結構如圖6所示，與普通節點間差別是沒有安裝GPRS（CDMA）模塊，即小區中心節點同時也具有完備的普通節點的采集數據和動作控制能力。除此之外，他們的太陽能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。

五、 風險識別與分析

在油田物聯網建設初期，即在規劃設計階段就應開展風險分析。通過對油田物聯網中各個節點的分析，識別出各種風險以及出現風險的幾率，從而確定所采取的措施是否可行。

六、 結論

目前，該系統的實驗已經在基于ARM9搭建的基站系統上實現，兩個網絡數據信息可以根據數據傳輸協議的轉換方法順利實現透明傳輸。在移動通信的GPRS平臺上，實現油田WSN系統與Internet的無縫接入，隨著WSN技術的不斷成熟，該技術在油田遠物聯網領域中將具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]高志亮.數字油田及長安大學數字油田研究所介紹[EB/OL].（2005-10-04）[2010-08-12].

[2]Yick J，Mukherjee B.Ghosal D.Wireless sensor network survey[J]. Computer Networks，2008，52（12）：2292-2330.

[3]王東，張金榮，魏延，等.利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J]. 重慶大學學報：自然科版，2006，8（8）：95-97.