無線傳感器網絡視域下的井場設備遠程監控系統研究

劉艷榮

摘要：對于現代石油鉆井的分布比較廣，并且環境較為惡劣的情況，本文實現井場設備遠程監控系統的設計，完善目前鉆井測量參數有線傳輸可移動性較差的問題。本文對系統整體設計框架進行分析，基于無線傳感器網絡視域中實現井場設備遠程監控系統的設計，利用AdHoc網絡模式節點實現系統測試，包括數據收集及無線傳輸功能，表示系統使用效果良好。

關鍵詞：無線傳感器網絡;井場設備;遠程監控

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0250-03

在現代通信技術、計算機技術及網絡技術不斷發展的過程中，促進了油井遠程監控系統的發展。在油田早期開采過程中，并沒有使用遠程監控系統實現設備監控，而是使用人工方式實現檢測，不僅浪費時間，還浪費精力，而且數據的時效性比較差。在工業自動化不斷發展的過程中，油田設備遠程監控系統也逐漸被研發，提高了油田管理及生產的可靠性及高效性。目前現有現場總線技術在工業控制方面使用，但是油田分布在野外，并且位置較為分散，如果使用有線方式實現數據傳輸，要鋪設較長電纜，具有較高的成本，并且電纜還比較容易損壞及老化，后期維護需要大量的資金。基于此，本文就使用無線傳感器網絡實現井場設備遠程監控系統的設計，以此提高現場設備運行的可靠性及油田生產安全性。

1系統的整體性設計

本文所設計的無線傳感器為基礎的井場設備遠程監控系統在油井、油田等無人值守環境中使用，要求其對捕獲數據進行處理，并且還要具有中心服務節點實現數據處理及分析。另外，現場數據要在遠方監控顯示器中進行展現，從而供工作人員進行查看，及時的發現問題并且處理。所以系統主控機房尤為重要。以此，以功能需求設計系統的各個部分節點相互連接，在實踐中得到滿意效果及性能。其次，系統中的中心服務節點及收集節點要利用無線方式實現數據傳輸，無線傳輸使用WiFi或者ZigBee實現。其主要區別就是傳輸帶寬及功耗方面。ZigBee的功耗比較低，但是數據傳輸速率也比較低。但是WiFi具有較高的傳輸速率，但是其能耗也比較高。對于特殊應用需求，在傳感器網絡控制信息及少量數據傳輸過程中使用ZigBee，在視頻、圖片等密集傳輸過程中使用WiFi。在某情況中，ZigBee及WiFi能夠同時使用，從而使指定設計需求得到滿足[1]。圖1為系統的整體架構。

1.1系統功能需求

從整體方面分析，系統屬于遠程監控系統，實現智能收集、無線傳輸、實時記錄及計算機分析等。遠程收集節點實現監控中心遠程主機發送的命令，從而實現功能的擴展，其節點功能需求為：

其一，采樣節點。收集參數并且識別狀態，利用傳感器實現環境參數的收集，比如溫度、濕度及氣體的密度等。狀態識別主要包括現場設備的狀態，從而對設備是否運行進行判斷，假如設備在運行過程中出現故障，就要對主控機房進行反應，及時使用處理對策。

其二，監控中心。實時監控鉆機設備的運行情況，石油鉆井人員利用主控機房顯示器實現鉆機等設備工作情況的實時檢測，如果發現運行故障要及時使用策略進行處理。

其三，中心服務節點。處理數據并且傳輸，利用采樣節點的原始數據朝著容易理解數據進行轉變，所以要求節點具有數據處理的功能。另外，數據傳輸使原始或者處理之后的數據利用無線，到主控房傳輸并且存儲[2]。

1.2系統功能模塊

通過分析上述節點功能，實現相應功能模塊的設計。包括參數檢測和收集模塊、主控房中心控制模塊、中心服務接待女數據處理等模塊。參數收集模塊包括傳感器，中心控制模塊對某時間使用哪個模塊進行決定。

2系統的硬件電路設計

2.1數據收集節點

此節點在抽油機設備中設置，收集現場數據并且逐級地對上面進行傳輸。充分考慮實用性及經濟性，此電路設計包括無線通信、處理器、供電及傳感器四個模塊，圖2為ZigBee節點的原理[3]。為了能夠有效節約成本，集成控制器及無線收發器作為JN5139模塊，此模塊包括32位RISC核，其中還內嵌滿足需求的無線收發器件，為無線傳感器網絡使用提供低成本解決方案。傳感器模塊以設計的需求選擇合適傳感器，每個節點實現不同傳感器的選擇，從而滿足不同監測點的需求。傳感器節點使用定時喚醒間歇工作方式，定時將傳感器節點從休眠狀態喚醒朝著數據采集轉變，并且對路由節點實現信息的發送，之后進入到休眠狀態[4]。

2.2監控中心電路設計

監控中心利用GPRS模塊得到檢測數據，利用RS232接口到監控中心PC機中傳輸。此部分電路設計指的是MC55模塊利用標準RS232接口連接數據中心計算機。MC55模塊串口邏輯電平屬于+2.65V，能夠和PC串口電平相互匹配，使用電平轉換芯片實現轉換。

3系統的軟件設計

3.1基站軟件的設計

局域網絡中的主基站屬于網絡協調器，實現自身初始化，并且創建網絡，使基站作為路由器到網絡中融入，創建星行網絡[5]。基站程序設計功能主要包括：

其一，數據收集。全部的ZigBee模塊收集儀表數據，實現繼電器狀態信息的讀取，在RAM中存儲。之后，主基站對從基站輪詢，被詢問的從基站利用ZigBee協議使收集的數據和自身短地址對主基站進行發送，根據基站段地址實現數據存儲。最后，上位機實現主基站的輪詢，被詢問的主基站使集中的數據和自身ZigBee局域網地址通過Modbus協議，利用GPRS對上位機進行發送。上位機以ZigBee局域網地址和短地址實現不同基站的區分，實現基站數據的正確存儲和展現。

其二，電機控制。上位機利用Internet和GPRS網絡對主基站實現控制命令的發送，通過主基站對基站下達，以此對基站繼電器動作進行控制，有效控制油井抽油機[6]。

3.2串口通信程序設計

串口通信程序主要包括串口初始化函數、從串口讀數據函數、向出口寫數據函數，并且使CC2430中的PO2及PO3實現UART模式的配置。在實現串口讀寫數據以前，要實現串口屬性的配置，設置串口波特率為19200bps，八位數據為，一位停止位，在相應函數中實現串口初始化。

節點在接收數據命令之后，通過函數使數據到串口中發送。讀取串口數據，使用串口中段方式實現出發，利用調整函數讀取數據，并且實現數據事件的發送，對應用層通知，實現數據后續處理。

3.3計算機通信程序

示功儀及其他傳感器都設置了無線傳輸模塊，系統相互連接的方式主要為PC機與RTU利用無線或者有線網絡相互連接，RTU利用無線傳輸模塊實現數據的收發，示功儀屬于傳感器組的網關，自身使用加速度及載荷傳感器數值，并且還實現溫度、壓力傳感器及電量的接收及存儲，之后通過處理對RTU進行發送。

其一，計算機對傳感器發送指令的時候，PTU的工作流程為：兩者利用網線相互連接，通過TCP創建通訊鏈路。RTU利用PC機TCP端口的監聽，得到PC機中發送的數據包，之后實現數據包的解析。假如數據包為報警應答，那么就對傳感器直接發送。假如數據包為收集數據命令，那么對命令幀進行重新組織，之后對傳感器進行發送。假如發送失敗，那么PC機就會重新發送，直到成功發送。然后RTU就會對TCP繼續監聽[7]。圖3為PC機對傳感器發送相應指令。

其二，在傳感器接收到PC命令之后，RTU的工作流程為：發送數據包包括應答數據包及采集數據包。PC對傳感器發送休眠、采集數據及喚醒三種命令，并且傳感器還會對PC機恢復采集數據包、喚醒應答及休眠應答。傳感器在對PC機響應的過程中，RTU對串口實時監控，包括串口是否具有傳感器利用無線模塊實現數據信息的發送，假如接收數據信息，對此數據包進行解析。假如數據包為非法數據，丟棄繼續監聽。假如數據包為合法數據，對其是否為應答數據包進行判斷，假如是，將此數據包丟棄，假如不是，那么此數據包就為傳感器收集數據包，利用TCP端口對PC機進行發送。

3.4無線收發模塊的設計

在設計無線收發模塊過程中，使用Nodic公司的VLSI技術，其能夠提供高速數據傳輸，并且不需要昂貴高速MCU實現數據處理。利用使和RF協議相關的高速信號在芯片中處理，其能夠為應用提供微控制器SPI接口，速率通過微控制器設置。在ShockBirst模式中，地址匹配及數據準備就緒信號通知MCU有效地址及數據包各自接收完成。能夠使MCU存儲器需求降低，并且降低成本，縮短軟件開發的時間[8]。

4結束語

在現代科學技術不斷發展的過程中，油田勘探開發管理等領域一體化、現代化管理進程不斷推進的過程中，采油隊信息化建設也逐漸成熟。本文實現了無人值守基于無線傳感器網絡的石油鉆機遠程監控系統設計，利用使用Wifi模塊進行無線傳輸，不僅具有足夠寬帶，還能夠使系統數據無線傳輸功耗降低。通過實際使用表示，系統反應良好，能夠滿足石油鉆井工程現場參數收集和分析處理，對生產工況集中監視也非常有利，方便現場人員的操作。

參考文獻：

[1] 任燕，劉嬌月.油田井場工況監測中的ZigBee數據通信技術應用[J]. 電氣傳動自動化，2015（3）：42-44.

[2] 王勇.基于Zigbee技術在井場安全監控系統的研究[J].石化技術，2017，24（12）：224-224.

[3] 劉策， 于慶棟， 仇春松，等. 一種自動化鉆井井場監測系統： CN106060151A[P]. 2016.

[4] 麗娜. 井場參數無線自動采集系統[J]. 油氣田地面工程， 2014（11）：87-88.

[5] 胡自強. 基于多無線傳感器網絡的電力設備安全監控系統研究[J]. 電子世界， 2013（13）：53-54.

[6] 孫永堅. 基于無線傳感器網絡的智能家居遠程監控系統研究與設計[D]. 吉林大學， 2014.

[7] 楊磊. 基于物聯網的井場安全監控系統研究[D]. 西安石油大學， 2016.

[8] 仝迪， 牟建云， 甯鴻，等. 基于ZigBee無線傳感器網絡的井場環境監測系統設計[J]. 科技視界， 2015（4）：10-11.