低功耗廣域物聯網在海上油田應用淺析

顏斌

摘 要 LoRa是低功耗廣域物無線網絡協議（LPWAN），主要應用于大型無線傳感網絡。本文首先針對目前LPWAN物聯網通信技術的NB-IoT與LoRa的技術特點進行分析。結合海上油田生產中的助航設備狀態監控場景，探討基于LoRa技術的物聯網的部署架構、無線傳感器設計、通信協議與數據服務軟件的及時要點。本文最后總結了LoRa技術在油氣田生產和設備管理領域的發展前景。

關鍵詞 物聯網;LPWAN;LoRa;NB-IoT;海上助航設備

引言

物聯網，“Internet of things（IoT）”，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。國內石油行業對物聯網技術也有深入的研究與應用，中國石油的油氣生產物聯網（A11）與中國石化開展的生產信息化項目都廣泛使用了大量的物聯網新技術，取得了良好的經濟效益與社會效益。本文通過總結海上油田助航設備監控的物聯網技術試驗，探討LPWAN在油田生產領域的適用性、應用方式和需要解決的問題，并展望了未來的應用前景。

1LPWAN技術分析

物聯網的主要目標是通過通信技術將人與物，物與物進行連接。在工業數據采集、智能家居等區域網通信場景一般采用短距離通信技術，但對于廣范圍、遠距離的連接則需要遠距離通信技術。LPWAN技術正是為滿足物聯網需求應運而生的遠距離無線通信技術。

LPWAN專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計。目前LPWAN可分為兩類：一類是工作于免授權頻譜的LoRa、SigFox等技術;另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。當前LPWAN公認的最有應用前景的兩個代表技術分別為NB-IoT和LoRa。

基于LoRa通信技術的成本優勢、免授權帶寬、自主部署通訊基站等特點，勝利海上油田于2017年在海上助航設備監控應用領域進行了LoRa物聯網通信技術的技術試驗[1]。

2LPWAN在海上助航設備監控應用

2.1 海上生產場景

海上助航設備狀態采集具有如下特點：

（1）航標燈等助航設備狀態數據數據量小、低速傳輸。助航設備只有蓄電池電壓、供電電壓、燈的光強等幾個狀態值，數據采集的時間間隔可以在5分鐘甚至30分鐘。

（2）助航設備安裝在金屬結構平臺上，金屬結構及海水對無線信號有屏蔽及衰減作用。ZigBee、WIFI等短距離無線通信技術，無法實現一個平臺內的信號傳輸。

（3）平臺分布范圍廣，且大部分為無人值守平臺。部分助航設備現場沒有電力供應，航標燈依靠太陽能電池供電，要求監控設備功耗低。

（4）大部分海域無電信運營商網絡信號，有人駐守的平臺有油田局域網。部分助航設備距離最近有網絡的平臺5公里之內。

2.2 LoRaWan網絡架構

在綜合考量對比分析之后，海上助航設備狀態監控系統采用了功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離更遠的LoRa技術實現數據采集和傳輸。

系統的網絡架構按照LoRaWAN推薦的網絡架構，包括終端、基站、NS（網絡服務器）、應用服務器這四個部分。基站和終端之間采用星型網絡拓撲，由于LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。終端節點可以同時發給多個基站。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協議數據做轉發處理，將LoRaWAN數據分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP的以太網上。傳感器采集狀態數據后通過LoRa模組與LoRa網關通訊，實現數據的接收和發送。LoRa網關通過以太網上傳至LoRaWAN。

2.3 通信協議與服務軟件

（1）通信協議

無線終端傳感器與LoRa網關之間的通信協議主要有數據透傳和LoRaWAN協議兩種。由于助航設備的狀態監測只監測、無控制，該系統中采用了LoRa數據透傳方式。

（2）數據解析

LoRa數據由網關傳輸到實時數據接收服務器進行解析和存儲。服務器采用多線程高并發技術實現，單臺服務器能夠支持5萬個傳感器的數據處理。

（3）數據存儲與服務

數據存儲使用MongoDB數據庫，這種NoSQL數據庫的存儲和訪問效率高，適合實時數據高效存取的需求，同時又提供較為豐富的查詢方式，在必要的場景下也容易實施高可用集群。

系統以Restful API的方式對外提供數據訪問接口服務，能夠獲取各個傳感器的實時和歷史數據。

2.4 現場試驗與應用情況

還是助航設備監測系統開發完成后，從2018年2月在海上平臺部署試運行。同時監測航標燈、信號燈、霧笛設備的狀態信息。經過近10個月的應用試驗，基于LoRa技術具有如下特點：

（1）LoRa無線信號繞射能力強。系統采用室內型LoRa網關，安裝在平臺的中控機房，平臺甲板上的助航設備監測數據能夠有效傳輸，無線信號可以有效穿透多層金屬結構。

（2）有效傳輸距離遠。利用信號監測裝置，室內型LoRa網關的周邊進行信號強度驗證，有效傳輸距離1～2公里。室外型LoRa網關，采用室外天線，傳輸距離達到5～7公里。

（3）數據采集解析穩定。為了驗證數據采集傳輸的穩定性，試驗過程中將每個無線終端采集間隔設置為30秒。經過長達5個月的驗證，數據采集穩定，丟包率不超過0.1%。

（4）終端傳感器功耗低。無線終端傳感器的供電采用助航設備的蓄電池供電，待機功耗2mAh，信號發送功耗185mAh。在30秒采集傳輸一次數據的情況下，航標燈太陽能電池可以在無光纖不充電的模式下，供航標燈、終端傳感器連續工作96小時以上。

3結束語

LoRa是物聯網無線傳輸的一種新技術，其工作在1GHz以下的免授權頻段，繞射能力強、低功耗、抗干擾，鏈路預算高達160dBm，適用于物聯網低速數據傳輸應用場景。系統通信距離遠、功耗低、成本低，能極大地滿足數據監測的需求。LoRa的透明傳輸方式可以作為局部區域的無線接入或無線骨干網的覆蓋延伸技術，具有較高的推廣應用價值。隨著LoRaWAN協議的成熟商用，LoRa技術一定會智能油氣田建設中得到廣泛應用。

參考文獻

[1] 張彬，王志鵬，馬慶.NB-IoT部署方案及關鍵問題分析[J].電信工程技術與標準化，2017，（6）：72-75.