基于Zigbee無線網絡通信技術的油氣水井監控管系統

李俊杰，孫 威，王玉峰，宋 松，曹旭東

（1.中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院 北京102249；2.中石油華北油田分公司數據中心 河北 任丘 062552）

基于Zigbee無線網絡通信技術的油氣水井監控管系統

李俊杰1，孫 威2，王玉峰2，宋 松2，曹旭東1

（1.中國石油大學（北京）地球物理與信息工程學院 北京102249；2.中石油華北油田分公司數據中心 河北 任丘 062552）

油氣水井狀態監測是油田現場安全生產的重要保障措施之一。本文基于油田物聯網技術和嵌入式技術，提出利用Zigbee無線局域網絡和DTU模塊搭建無線數據采集與傳輸網絡，以ARM9嵌入式計算機為核心單元，采用OSGi和REST實現動態熱插拔上位機軟網關設計，以此來完成油氣水井監控系統的整體構建。目前該系統原型機已經實現，通過現場實驗表明，本系統性能穩定，各項指標均達到要求。

Zigbee；DTU；軟網關；監控系統

在我國油田無論是水網、沙漠還是高原、嚴寒地區，油水井的數據采集基本上靠人完成，無論盛夏酷暑還是冰雪旱天，采油工都必須到現場采集油氣水井示功圖、平衡度、油套壓、油溫及產液量等井口生產數據，工人勞動強度大，且數據的準確可靠性完全依賴于采油工人的工作責任心[1]。海上油田的生產管理則更加困難，常常要借助于龐大的集輸管線及增加采油平臺來降低現場管理難度，采油氣水井的生產參數經常受到天氣變化和交通工具的影響無法正常獲得，嚴重影響了油水井的自動化管理[2]。

目前，我國一些油田企業也采取一些通過諸如RS485總線形式的局域有線網或以GSM短信息的方式達到對油水井部分生產數據監測和統計之目的，一定程度上解決了上述問題，但這些技術有較大的局限性。

1）油田各采油現場油氣水井需要監測的設備量較大，油井范圍分布較廣，使得有線組網布線困難，靈活性差，成本高，而且網絡出現問題時，對故障點的定位和維修需要很長時間。

2）油田各采油現場油氣水井通常都有大功率的電機、泵機甚至變電站，這些設備工作時所產生的干擾可直接侵入網絡而導致有線網絡癱瘓，嚴重 時周邊設備都不能正常工作。

3）有線網絡對油田各設備的檢修產生一定程度的障礙，一旦維修人員維修時不小心導致有線網絡的連接失效，可能致使該處監控癱瘓。

因此，目前油田在數據采集及傳輸網絡上的現狀如下：

1）地域分散，各個現場網絡環境復雜，存在有線和無線（如電臺、GSM、GPRS/CDMA等）多種傳輸方式。

2）現場設備通訊接口眾多，標準不統一。數據傳輸協議接口眾多，標準不統一。

3）現場數據發送到各油田監控室成本較高，傳輸維護也需要較高成本。

4）對油田所屬油井的生產設備進行管理監視幾乎是不可能實現的。

1 系統分析

文中將傳感器技術、Zigbee技術、DTU技術相融合，并輔以相應控制器克服以上組網方式或系統的局限性。本系統將油田的現場監測數據，利用上述技術構建無線傳感器網絡，將所有數據以Modbus協議封裝，實時、安全、低成本地將數據通過移動網絡傳到監控中心，實現對油田現場各相關生產設備、生產數據、安全指標等信息的監測、定位、分析處理、顯示、警示和控制。

傳統的傳感器網絡采用的是定時傳輸模式，也就是說，終端設備定時的采集數據，并最終將數據傳輸到上位機。平時終端設備為了節省功耗，進入睡眠模式，直至睡眠定時器將其喚醒。這樣的方法雖然節省了系統功耗，以無線傳感器網絡代替了人工數據采集，但是卻不利于工業現場的實時監控。

鑒于此，文中提出在定時喚醒終端設備進行采集的基礎上，加入實時監控功能。即一般情況下，終端設備定時采集現場數據并傳輸。當監控人員想要了解現場情況時，可通過上位機發送命令，喚醒處于睡眠設備的終端設備，通過其對命令判斷，進行控制，實現現場實時監控的目的。

Zigbee無線傳感器網絡中涉及地址有ProfileID、PanID、IEEE地址（物理地址）、網絡地址。ProfileID面向某個應用，解決一系列事務的公約，是對邏輯設備及其接口關系的描述集合。PanID是指用一個16位的個域網標志符，來標識唯一的網絡。IEEE地址是64位由制造商或者被安裝時設置的地址，它是全球唯一的地址，設備將在它的生命周期中一直擁有。網絡地址是指無線網絡在建立后分配給入網設備的16位地址。

工業無線網絡中通常使用Modbus協議設備地址與Zigbee網絡地址建立映射表[3]或者Modbus協議設備地址與Zigbee物理地址建立映射表[4]，這樣的方法只適用于單個無線網絡。但是，油田現場相鄰油井距離動輒幾千米，而傳感器網絡再加入功放器件后，距離最大為1.5 km，很明顯獨立無線網絡是遠遠不能達到達到目的，而且每個油田所管理的油井成百上千，Modbus協議8位設備地址容量不夠。這樣的話，必須使用單個傳感器網絡覆蓋單個油井的方法，再通過DTU與監控室上位機連接。關鍵點是要建立傳感器網絡與上位機油水井號之間的地址映射表，以便實現對應油氣水井的監控。

不同Zigbee無線傳感網絡是通過它們的PanID來區分的，一個PanID對應一個無線網絡，PanID不同網絡無法通信。PanID是通過f8wConfig.cfg文件中的 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置的，范圍為0x0000—0x3FFF，通過zb_GetDeviceInfo（ZB_INFO _PAN_ID，&pan_id）函數讀取。在上位機建立PanID與油氣水井號之間的地址映射列表。

上位機通過調用上述地址映射列表找到相應油水井所處的網線網絡PanID號，并發送相應命令給油井現場主控制器，主控制器按照命令進行相應控制，并將結果連同所在PanID反饋給上位機，上位機再通過列表找到對應的油水井并顯示數據。

由于油水井所要控制的設備較少，現場主控制器接收到命令后，以廣播的方式將命令通過無線網絡發送，現場數據采用Modbus協議封裝。對具體哪個設備的控制判斷，通過Modbus數據格式中包含的設備地址，在終端設備中進行判斷。不再采用前文所說的傳統單個無線傳感器網絡數據傳輸方法 （通過64位物理地址或16位網絡地址與Modbus協議設備地址建立地址映射列表，向對應設備發送命令時要查表找到設備地址對應的物理地址或網絡地址，才能發送命令）。這樣的方法不僅大大簡化了系統的復雜度，節約了射頻單片機內存，有利于大規模設備生產，同時功耗方面也相差不大。

2 系統方案

2.1 總體設計方案

整個系統由Zigbee終端設備模塊、網關模塊、RTU模塊、DTU模塊以及上位機人機界面軟件模塊5個部分構成。鑒于目前油田數據傳輸協議較多，給模塊之間、設備之間互聯造成困難，所以本系統油井現場所有數據均采用Modbus傳輸協議格式，方便系統聯調。

圖1 系統結構圖

Zigbee終端設備模塊與網關模塊構Zigbee無線傳感器網絡。網關中含有RTM部分 （附加功能）和Zigbee協調器部分，他們之間通過RS232進行數據傳輸。因為RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長傳輸距離和多站能力等優點，所以RTM部分通過485總線與RTU模塊相連，受RTU控制可進行無線數據采集和有線數據采集的選擇（附加功能）。DTU也經過485總線受RTU控制。操作工人可通過上位機發送命令，命令經由移動網絡傳到DTU模塊，DTU模塊將數據傳給RTU模塊，RTU模塊再控制Zigbee網絡進行數據采集，采集油井現場油溫、油壓等數據。然后將采集的數據經由上述路徑反向傳遞給上位機，由此達到對油田現場實時監控的目的。

2.2 射頻芯片的選擇與介紹

Zigbee技術是基于小型無線網絡而開發的通信協議。它在OSI七層參考模型的基礎上，結合無線網絡特點，采用分層思想實現。廣泛用于工業控制、智能家居、醫學等諸多領域[5]。目前，市場上性能較好的Zigbee解決方案[6]主要有下面幾種：1）freescale：MC1319X平臺；2）TI：SOC解決方案 CC2530；3）Ember：EM250 zigbee系統晶片及 EM260網絡處理器；4）Jennic：JN5121芯片。

以美國TI公司CC2430/CC2530芯片為代表的Zigbee SOC解決方案在國內高校企業掀起了一股Zigbee技術應用的熱潮。CC2530芯片外形尺寸小，不占電路板容量，結合了領先的RF收發器的優良性能，整合了符合2.4 GHz IEEE 802.15.4無線收發模塊，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM，12位模數轉換器 （ADC），4個定時器，128位密鑰AES加密/解密內核，兩個UART（其中一個可配置為SPI），以及21個可編程I/O管腳，能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點，非常適合低功耗低成本項目開發[7]。與TI公司早期的CC2430芯片相比，CC2530在其基礎上，加大了緩存，從而使用戶不用因為存儲容量小而對代碼進行限制，通訊距離更遠，不用外加功放來擴展距離。所以本系統采用的 Zigbee無線網絡芯片為CC2530。

3 系統構成

智慧油田無線通信系統由Zigbee終端設備模塊、網關模塊、RTU模塊、DTU模塊以及上位機人機界面軟件模塊5個部分構成。

3.1 Zigbee終端設備模塊

Zigbee終端設備由傳感器和CC2530電路構成[8]。主要實現加入Zigbee無線網絡功能，控制傳感器數據采集功能以及對協調器發送的命令格式進行判斷的功能。也就是說Zigbee協調器發送命令，終端設備接收后，進行判斷，命令是否為Modbus數據格式，是否是對本設備的控制命令，如果判斷正確，控制傳感器進行數據采集。

圖2 終端設備結構功能圖

根據ADS仿真圖（圖3）可以看出CC2530的IO口RF_P和RF_N端在2.45 GHz處反射系數相同，說明芯片處差分信號端口在該頻率下效果最好，所以信道選擇與仿真實現上參考該處頻率。而天線端口處smith圖顯示，在2.45 GHz時天線阻抗與50 Ohm不匹配（Z0為50 Ohm），這造成信號傳輸過程中能量損耗。

圖3 巴倫電路反射系數圖

進行阻抗匹配，由于在2.4 GHz處天線端口屬于容性，所以在電路中串聯電感，并進行相應的濾波處理，并在ADS上仿真，得到相應smith原圖，根據仿真圖4可知在2.4 GHz時電路阻抗與50 Ohm基本匹配。

圖4 匹配電路smith圓圖

CC2530自帶8路7—12位的ADC，使用12位ADC滿足精度要求，故而沒有另外使用精度更高的ADC，節省電路板空間。由于CC2530芯片包含一個SPI通信接口，這也給另加高精度ADC后對其控制提供了可能。傳感器將采集到的油溫、油壓等數據發送給網關。

由于本系統所用射頻電路信號為2.4 GHz，信號頻率高，波長較短，PCB板在設計時射頻部分尺寸應盡量減小。在差分信號轉變為單端信號電路（即不平衡狀態與平衡狀態轉換巴倫電路）器件擺放時，應盡量使差分信號部分電路器件保持對稱。由于電路板每一個過孔會帶來10 pF電容效應，所以采用菱形過孔，避免其對信號帶來的干擾，并且選擇最小過孔尺寸（減小過孔寄生電容）。在頂層射頻電路對應的底層板不應放置任何器件。最終的PCB圖如圖5所示。最關鍵的是為了降低回損，傳輸線拐角應采用45度角。

圖5 Zigbee終端設備PCB圖

3.2 網關模塊

網管模塊包括兩個部分：RTM和Zigbee協調器。Zigbee協調器部分由CC2530射頻電路組成，主要負責Zigbee無線網絡的組建，網絡的管理和維護。接收到命令后Zigbee協調器以廣播的方式將命令通過網絡發送。

網關模塊的另一部分為RTM。這個部分的加入是為了與RTU模塊通過485總線進行通信，以及為了滿足客戶提出的附加功能有線數據采集的實現。該部分采用STM32F103RC芯片，該芯片擁有ARM公司高性能“Cortex-M3”內核，4 Mb/s的UART，1 μs的雙12位ADC以及其它豐富的接口。在RTM部分中主要實現的是無線數據采集和有線數據采集命令的判斷。其與Zigbee協調器通過RS232進行通信。

圖6 網關結構功能圖

網關與終端設備實現數據通信最關鍵的因素是實現它們應用層之間信息流的綁定。綁定實際上就是兩個節點在應用層上建立起來的一條邏輯鏈路，以實現在目標設備地址未知的情況下，向目標節點發送數據的目的。

在zstack協議中實現綁定功能有4種模式，但是根據油田現場為無線監控，應避免手動按鍵中斷模式，所以采用match模式，即協調器調用zb_Allow Bind（uint8 timeout）函數將其狀態設置為允許綁定，終端設備可通過zb_BindDevice（）函數發送綁定請求，以此來實現協調器與終端設備的綁定。這樣的方法不需要別人幫忙，只要在網絡中的節點互相之間就可以實現，但是前提是他們一定要匹配，即一方的outcluster（輸出簇id）至少有一個是另外一方的incluster（輸入簇id），這種方式在很多時候用起來比較方便。

3.3 RTU模塊

系統研制均采用嵌入式 ARM9處理器AT91SAM9263實現，內核程序設計在嵌入式LINUX系統下完成，使多個程序同時并獨立地運行，包含3路485接口[9]。3路485接口中，一路為網關模塊接口使用，一路為DTU模塊接口使用，另一路為擴展接口。

3.4 DTU模塊

數據傳輸單元DTU，是專門用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備[10]。本系統應用的DTU為GPRS技術與串口通信的結合。將上位機的控制命令轉換為串口數據，或者將RTU傳輸的采集數據通過移動網絡傳給上位機。

3.5 上位機監控界面

上位機監控界面（如圖7）采用層次與模塊設計相結合的結構，以RESTful中心的總體平臺架構。保證實現過程中每層實現的相對獨立性。

圖7 油水井生產實時監控系統

其關鍵是軟網關的實現。軟網關既是局部網絡的中央樞紐，又是溝通局部網絡內外的橋梁[16]。從技術角度講，其對上既要通過HTTP或者COAP標準接口同平臺進行交互，實現與網絡內部設備通信的接口，對下通過標準的服務接口同本地應用和設備進行交互，實現接入外網的接口。對于軟網關設計，基于OSGi和REST實現，使用精煉、可重用和協作的組件構建的標準化原語，這些組件能夠方便地組裝進一個應用和進行動態熱插拔的部署。

服務平臺的眾多物聯對象也不是需要始終在線的長聯，而是在需要進行數據傳輸時保證有效連接，數據傳輸完畢即可斷開長聯，平臺采用喚醒技術來控制網絡的連接。建立連接后，通過發送控制命令讀取現場采集的油、水、氣井數據，并在界面上顯示如圖8所示。

圖8 抽油機單井綜合數據圖

4 結束語

根據現場的情況，油氣水井的數據采集設備往往是區域分布的，具有區域集中的特點。本系統采用Zigbee無線傳感器網絡避免了現場布線困難的問題[17]，提升了靈活性，統一了數據傳輸格式，使各模塊銜接更加緊密，節約了成本，能夠更好的適應油田現場，及時的將數據上傳給監控室上位機，由上位機來進行實時分析、控制。

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Based on the Zigbee wireless communication network monitoring system of oil and gas wells

LI Jun-jie1，SUN Wei2，WANG Yu-feng2，SONG Song2，CAO Xu-dong1
（1.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Data Center of North China Oil Field，Renqiu 062552，China）

Condition monitoring of oil and gas Wells is one of the important safeguards of oil field safety in production.Based on the Internet of things technology in the oil field and embedded technology，we put forward using Zigbee wireless local area network and DTU module to build a wireless data acquisition and transmission network，with ARM9 embedded computer as the core unit，using the OSGi and REST for dynamic hotplug of PC soft gateway，on this account we complete monitoring system of the whole oil and gas Wells.At present，we have implemented the system prototype，through the field experiment shows that this system has stable performance，and all indicators are up to par.

Zigbee；DTU；soft gateway；monitoring system

TN914

：A

：1674-6236（2017）08-0050-05

2016-07-08稿件編號：201607068

國家發改委下一代互聯網技術在智慧油田的應用示范項目（CNGI-12-03-043）

李俊杰（1989—），男，山東濰坊人，碩士。研究方向：油田信息與通信技術。