低功耗窄帶物聯網LoRa技術在稠油蒸汽驅采油井中的應用分析

宋晨 王曉東 韓光 仇雨薇

[摘 要]油氣生產物聯網系統是利用物聯網技術，實現油田生產數據自動采集、遠程監控、生產預警等功能，支持油氣生產過程管理。數據采集和傳輸是實現系統功能的基礎，以采油井為例，其數據采集流程為無線儀表通過ZigBee技術將數據傳至RTU，而RTU通過有線方式與遠傳模塊進行通信，最終實現數據上傳。此方式存在數據傳輸鏈路節點多、故障發生概率大等問題，從而增加了后期設備維護難度。低功耗窄帶LoRa技術具有低成本、低功耗、長距離和安全性高等優點，通過應用在油井物聯網建設中，可取消傳輸側的RTU設備，從而能夠減少傳輸鏈路層級，降低投資。

[關鍵詞]油氣生產物聯網系統；采油井；低功耗窄帶；LoRa技術

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.032

[中圖分類號]TP393；TE357.7 [文獻標識碼]A [文章編號]1673-0194（2018）16-00-02

新疆紅山油田位于準噶爾盆地西北緣紅車斷裂帶北段，距離克拉瑪依市西南約20 km，主要以蒸汽驅和吞吐的稠油開采方式為主，生產成本高，管理方式為“現場值守、人工巡檢”模式，員工勞動強度大，與此同時，工作對象大部分為高溫高壓設備，安全生產壓力大，因此，急需通過建設油氣生產物聯網系統改變現有的生產管理模式。采用傳統物聯網“儀表-RTU-遠傳模塊-基站（網關）”的建設方式，勢必會產生投資費用高、鏈路管理難度大等難題，因此通過對低功耗窄帶LoRa無線通信技術進行研究，本文創新地提出了“儀表-基站（網關）”的數據透傳模式，能夠降低數據中間傳輸環節，從而簡化數據鏈路，大幅降低物聯網建設成本，進一步提高數據的傳輸效率。

1 LoRa技術概述

LoRa（Long Range）技術是一種新型的基于1 GHz以下的長距離、低功耗數據傳輸技術，是一種使用擴頻調制機制的無線通信技術。LoRa技術融合了數字擴頻、數字信號處理和向前糾錯編碼技術，通過使用線性調頻擴頻調制技術，既保持了像FSK（頻移鍵控）調制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網絡效率并消除了干擾，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾，因此在此基礎上研發的集中器/網關能夠并行接受并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。LoRa技術有以下特點：①遠距離，164 dB鏈路預算，傳輸距離大于8 km；②易部署，快速、靈活的基礎設施易組網且投資成本較少；③低功耗，LoRa節點模塊僅用于通訊，電池壽命長達5年；④低成本，免牌照的頻段，網關、路由器建設和運營、節點、終端成本低。

2 低功耗窄帶物聯網的體系架構

低功耗窄帶物聯網體系架構包含數據采集與監控子系統、數據傳輸子系統和生產管理子系統，如圖1所示。

低功耗窄帶物聯網系統在數據傳輸層應用LoRa無線通信技術，在數據采集層取消RTU設備，將前端儀表內集成一個LoRa通信模塊，并通過485協議實現模塊和儀表之間進行通信，如圖2所示。

在LoRaWAN網絡架構過程中，最為基礎和典型的方式就是拓撲結構，扮演中繼網關，能夠更好地發揮數據通信以及服務器數據通信的作用，使LoRaWAN協議與TCP/IP協議間進行相互轉換，在這里所有的節點都屬于雙向通信。網關能夠通過多通道實時接收信號，然后對多路信號進行處理。若是在一定特殊的條件下，此項技術的運用也不是非常復雜，在手持終端和設備之間可以實現信息的交換作業，對檢測設備進行更好地配置，由此保障短距離內也可以實現雙向通信。同時，開發基于LoRa儀表端的物聯網業務平臺，通過接入油井實時生產數據，對全廠進行統一集中監控。

在紅山油田選取部分汽驅采油單井安裝LoRa壓力變送器1塊、LoRa溫度變送器1塊、LoRa一體化示功儀1臺和LoRa電參模塊1臺，對油井杠點壓力、溫度、功圖、電參數和運行狀態進行監測，如表1所示。

3 低功耗窄帶物聯網系統的應用效果

LoRa無線傳輸技術在保障紅山油田生產數據傳輸及時、完整、安全和可靠的同時，大大降低了建設投資費用，使得低成本稠油物聯網成為可能，將單井物聯網建設成本從數萬元降至1萬元左右。同時，由于LoRa儀表具有功耗低的優勢，大幅延長了現場無線儀表電池的壽命，結合太陽能技術，使無線儀表的電池壽命從原來的3年延長到了4.5年。該技術的應用為紅山油田生產發展、應用和推廣更先進的智能裝置提供了可靠、高效的傳輸通道，為油田信息化和工業化的深度融合提供了有力的支撐，后期也將在智能油田建設中進行全面推廣應用。

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