基于LoRa技術(shù)的油田井口數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

孟開元+韓佳佳+曹慶年+張珂

摘要： 關(guān)鍵詞： 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 2095-2163（2017）06-0083-03

Abstract： The working environment of oil field is very complicated， and the existing ZigBee technology has limited transmission distance and too many nodes. Focusing on these problems， this paper puts forward a design of oil field wellhead data monitoring system based on LoRa technology. The system takes the SX1278 chip as the core， and adopts the startype network to realize the functions such as collection， storage， transmission and display of oil field wellhead data.

0引言

油田井口數(shù)據(jù)是反映油井設(shè)備正常工作的重要指標(biāo)，油井設(shè)備的正常工作有助于提高整個油田的安全性和生產(chǎn)效率。目前，油田井口數(shù)據(jù)監(jiān)測主要是采用ZigBee技術(shù)。但是，隨著油井?dāng)?shù)量越來越多，井口數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的距離也越來越大，又因?yàn)閆igBee技術(shù)的通信頻率高，信號在傳輸中衰減非常快導(dǎo)致傳輸距離有限、易受干擾、傳輸過程中產(chǎn)生了眾多節(jié)點(diǎn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]，無形中增加了成本并且對后期維護(hù)帶來諸多不便。

LoRa（Long Range，遠(yuǎn)程）技術(shù)是一種LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）通信技術(shù)，具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性[2]。本文將LoRa技術(shù)應(yīng)用到井口數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測，大大減少了節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，節(jié)約了成本，便于后期維護(hù)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

近年來為實(shí)現(xiàn)油田在產(chǎn)能、成本上的突破，現(xiàn)代油田逐漸向智慧化方向發(fā)展，甚至提出智慧油田系統(tǒng)，本文所做的工作就是向這一目標(biāo)邁進(jìn)。該系統(tǒng)是在LoRa技術(shù)的基礎(chǔ)上重新設(shè)定用于監(jiān)測油田井口數(shù)據(jù)的一套系統(tǒng)。

在此之前，應(yīng)用于這套系統(tǒng)中的是ZigBee無線技術(shù)，ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低速率以及成本低[3]。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，ZigBee技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著技術(shù)的不斷變革，越來越多的新技術(shù)陸續(xù)涌現(xiàn)，其中以LoRa和NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）的新興技術(shù)對傳統(tǒng)的技術(shù)形成了巨大的沖擊。在綜合考量之后，該系統(tǒng)引入了功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離更遠(yuǎn)的LoRa技術(shù)進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。

系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)終端、LoRaWAN網(wǎng)關(guān)、 LoRaWAN服務(wù)器和用戶終端4個部分。

數(shù)據(jù)終端由各個井口的眾多儀表組成，采用星型組網(wǎng)方式，用來采集油田井口的各種數(shù)據(jù)，包括壓力、載荷、功率等，并將采集的數(shù)據(jù)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至LoRaWAN網(wǎng)關(guān)；LoRaWAN網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)通過LoRa網(wǎng)絡(luò)與各傳感器節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，同時將收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至LoRaWAN服務(wù)器；LoRaWAN服務(wù)器主要用于存儲和處理采集的數(shù)據(jù)，智能分析每個傳感器節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，提取具有價值的信息，便于用戶訪問和使用；用戶終端主要是為用戶提供1個數(shù)據(jù)訪問的平臺。由此可見，該系統(tǒng)的設(shè)計不僅為用戶提供了便捷的查詢和管理功能，有助于該領(lǐng)域走向智慧化、人性化。

2關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其相較于mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

2.2硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的MCU芯片STM32L072CZ是基于ARM Cortex-M0+架構(gòu)的微處器，具有 192 KB的存儲容量、20 KB的RAM、20 KB的EEPROM，能夠滿足儀表系統(tǒng)所需要的空間。硬件設(shè)計中，所選用的傳輸模塊是SX1278。 SX1278芯片是SEMTECH公司推出的帶擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)的產(chǎn)品，由于其相對傳統(tǒng)的FSK和OOK調(diào)制系統(tǒng)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，加上SX1278工作在ISM開放的頻段，無需授權(quán)[5]。考慮到以上因素，最終選擇以SX1278為核心的LoRa模塊。數(shù)據(jù)終端和LoRaWAN網(wǎng)關(guān)中都用到了SX1278模塊，其對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.3軟件設(shè)計

該監(jiān)測系統(tǒng)，除了使用最新的LoRa擴(kuò)頻技術(shù)外，還用到了LoRa聯(lián)盟為LoRa通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一套通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)LoRaWAN。

LoRaWAN協(xié)議主要有3類通信方式：終端雙向通信（A類）、具有接收時隙的終端雙向通信（B類）和最大接收時隙的終端雙向通信（C類）[5]。在3類通信方式中因?yàn)榻邮沾翱诘拈_放時間有所差異：A類只在發(fā)送數(shù)據(jù)后很短的時間內(nèi)打開接收窗口來接收下行數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用有垃圾桶監(jiān)測、煙霧報警器、氣體監(jiān)測等；B類在發(fā)送數(shù)據(jù)后每隔一段時間啟動接收窗口接收下行數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用有閥控制水氣電表、儀表等；C類除了發(fā)送數(shù)據(jù)時，接收窗口一直處于打開狀態(tài)，主要應(yīng)用有路燈控制等。這種接收機(jī)制直接導(dǎo)致A類功耗最低，C類功耗最大[6]。另外，規(guī)定高級類的附加功能向下兼容低級類，所有的LoRaWAN終端必須實(shí)現(xiàn)A類的功能[7]。

1）LoRa調(diào)制解調(diào)器配置。LoRa調(diào)制解調(diào)器的配置如圖3所示。

LoRa調(diào)制解調(diào)器采用專有的調(diào)制解調(diào)程序，將擴(kuò)頻調(diào)制與循環(huán)糾錯編碼技術(shù)結(jié)合起來，從而提高了鏈路預(yù)算和抗干擾性。圖3顯示了發(fā)送和接收信息的簡要過程。其中，LoRa調(diào)制解調(diào)器擁有獨(dú)立的雙端口數(shù)據(jù)緩沖FIFO，而且在所有運(yùn)作模式下均可通過SPI接口訪問該通道。選定LoRa調(diào)制模式之后，配置寄存器中SX1278的映射關(guān)系發(fā)生變化。endprint

2）LoRa數(shù)據(jù)分析。LoRa數(shù)據(jù)包包括前導(dǎo)碼、可選報頭、數(shù)據(jù)有效負(fù)載三部分組成[8]。前導(dǎo)碼使用來保持接收機(jī)與輸入的數(shù)據(jù)流同步。前導(dǎo)碼一般長12字節(jié)，長度可以通過編程設(shè)置。LoRa數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在發(fā)送模式下，僅在需要發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的時候才會啟動射頻模塊、PLL模塊及PA模塊，這樣可以優(yōu)化功率消耗率。數(shù)據(jù)終端既要完成儀表數(shù)據(jù)的采集，也需要通過LoRa網(wǎng)絡(luò)上傳和接收數(shù)據(jù)及命令。其中，LoRa典型的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收序列分別如圖5、6所示。

3系統(tǒng)測試與分析

搭建測試環(huán)境，驗(yàn)證該數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際效果。測試中需要2個LoRa儀表，1臺PC機(jī)，其中1個儀表通過RS-232方式與PC機(jī)連接，利用串口調(diào)試工具顯示兩者之間通信的實(shí)時情況。測試的中心頻率為433 MHz、發(fā)射功率20 dbm、串口波特率9 600 bps、數(shù)據(jù)位8 bit、停止位1 bit。

為了能測試出最大的通信距離，在空曠的郊區(qū)選取不同的位置進(jìn)行大量測試，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包100個。部分測試情況如表2所示。

4結(jié)束語

本文將低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到油田井口儀表數(shù)據(jù)傳輸中，通過新型的LoRa無線網(wǎng)絡(luò)和公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶終端和油田井口儀表之間的通信，達(dá)到用戶終端遠(yuǎn)程監(jiān)測各個儀表的數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。本文從系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。從測試結(jié)果表明，系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低，能極大地滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的需求，應(yīng)用前景非常廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙太飛， 陳倫斌， 袁麓，等. 基于LoRa的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 計算機(jī)測量與控制， 2016， 24（9）：298-301.

[2] 劉琛，邵震，夏瑩瑩. 低功耗廣域LoRa技術(shù)分析與應(yīng)用建議[J]. 電信技術(shù)， 2016， 1（5）：43-46，50.

[3] 趙靜，蘇光添. LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析[J]. 移動通信，2016，40（21）：50-57.

[4] 王陽，溫向明，路兆銘，等. 新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)—LoRa[J]. 信息通信技術(shù)， 2017（1）：55-59，72.

[5] THIELEMANS S， BEZUNARTEA M， STEENHAUT K. Establishing transparent IPv6 communication on LoRa based low power wide area networks （LPWANS）[C]// Wireless Telecommunications Symposium（WTS）. Chicago， IL， USA： IEEE， 2017：1-6.

[6] LI Lingling， REN Jiuchun， ZHU Qian. On the application of LoRa LPWAN technology in sailing monitoring system[C]//2017 13th Annual Conference on Wireless Ondemand Network Systems and Services （WONS）. Jackson， WY， USA：IEEE， 2017：77-80.

[7] 楊磊，梁活泉，張正，等. 基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域系統(tǒng)設(shè)計[J]. 信息通信技術(shù)， 2017（1）：40-46.

[8] 龔天平. LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸[J]. 電子世界， 2016（10）：115，117.endprint