基于LoRa的多油氣井監控系統

岳林 梅大成 陳亞萍

摘要：LoRa（LongRange）是semtech公司創建的低功耗局域網無線傳輸技術，具有長距離，低功耗，速率低等特點，應用在石油領域的場景具有良好的效果。針對多油氣井環境復雜，數據難采集且油氣井分散，缺乏對數據集中管理的問題，設計了一種基于LoRa的多油氣井的監控系統。該系統通過LoRaWAN協議進行數據傳輸，并能將各個油氣井的傳感數據采集并上傳至云端，以實現多油氣井的智能化管理。

關鍵詞：LoRa;監控系統;LoRawWAN;油氣井智能化

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0264-03

1概述

隨著工業自動化的不斷發展，在石油領域里，各個油氣井的數據復雜，數據難以采集且油氣井分散，缺乏對數據集中管理。為解決多塊油氣井上數據難以采集，布線困難，數據繁多等問題，本文設計了一種基于LoRa的多油氣井監控系統。

LoRa作為低功耗廣域網的典型技術具有以下特點：超長距離的傳輸，功耗低，數據量小，網絡容量大等。LoRa采用線性擴頻調制技術，高達157 dB的鏈路預算使其通信距離可達15 km以上（與環境有關），空曠地方甚至更遠。相比其他廣域低功耗物聯網技術，LoRa終端節點在相同的發射功率下可與網關或集中器通信更長距離。LoRa網絡工作在非授權的ISM頻段，前期的基礎建設和運營成本很低。

2系統總體架構

在該系統中，主要由若干傳感器、若干LoRa節點、若干Lo-Ra網關組成。根據LoRa特性，整個系統的網絡拓撲采用星型網絡。傳感器、節點和網關的數量根據油氣井的數量來確定，油氣井上的數據通過LoRa節點的傳感器采集，再經過LoRa節點的射頻模塊發送給LoRa網關，通過網關將數據上傳至監控軟件。如圖1為多油氣井監控系統的總體架構。

3硬件結構設計

在硬件的設計中，主要是以節點的設計為中心。對于節點傳輸來說，既要滿足數據的及時上報，也要滿足節點的低功耗。圖2為硬件節點設計架構。

射頻模塊采用的是Semtech公司開發的SXl276模塊。SXl276射頻模塊實現了-148dBm以上的靈敏度。高靈敏度與集成的+20dBm功率放大器相結合，產生了業界領先的鏈路預算，使SX1276射頻模塊成為需要范圍或耐用性的任何應用場景的最佳選擇。

整個節點的硬件部分主要由，傳感器模塊，SWD燒寫模塊，GPIO口，LED模塊，SPI接口，電源組成。主控芯片STM32L0系列芯片與SXl276射頻模塊間的通信通過SPI實現。傳感器與主控芯片間通過12C或者SPI進行通信。傳感數據先通過傳感器經過MCU的簡單處理后，將數據傳給SXl276的射頻模塊，通過射頻前端LoRa的擴頻調制技術將傳感數據發射到網關。

4系統軟件設計

4.1軟件協議

LoRaWAN是LoRa聯盟針對LoRa終端低功耗和網絡設備兼容性定義的標準化規范，主要包含網絡的通訊協議和系統架構。LoRaWAN的標準化保證了不同模塊、終端、網關之間的互操作性，物聯網方案提供商和電信運營商可以加速部署。

相比其他有線或無線物聯網解決方案，基于LoRaWAN傳輸技術的油氣井物聯網具有如下優勢：

（1）網絡拓撲為星形組網，維護費用低;

（2）組網的成本低;

（3）功耗很低，節點可用電池供電;

（4）傳輸距離遠;

（5）ISM非授權頻段，適合油氣井專屬的網絡建設;

（6）端到端加密，確保用戶數據的傳輸安全性;

（7）數據分發接口多，支持WebSocket和HTTPS等協議。

LoRaWAN協議定義了三類節點，這樣做的好處是，用戶可以根據應用場景、節能需求和喚醒時延，靈活地選擇最佳的種類。而且協議允許節點在運行中根據需要，進行A類和B類的切換。三類節點的優缺點比較如表1所示。

在正式收發數據之前，節點都必須先加網。節點有兩種加網方式：

（1）空中激活方式（OTAA，Over-the-Air Activation）

（2）獨立激活方式（ABP，Activation by Personalization）

LoRaWAN網絡采用OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備DevEUI、AppEUI、AppKey這三個參數。節點在發起加網請求流程后，發出加網命令，網絡服務器確認無誤后會給節點返回加網回復，分配網絡地址DevAddr，雙方利用加網回復中的相關信息以及AppKey，產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數據進行加密和校驗。圖3為OTAA激活流程。

LoRaWAN網絡數據傳輸速率范圍為0.3 kbps至37.5 kb-ps，為了最大化終端設備電池壽命和整個網絡容量，Lo-RaWAN網絡服務器通過一種速率自適應（ADR）方案來控制數據傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出。

4.2監控管理軟件

在監控管理軟件的設計中，首先對監控軟件進行需求分析。首先對監控管理軟件進行功能劃分，主要的功能是可以對各個油氣井的狀態信息進行可重復的查詢，對于不同的油氣井要實現多線程同步的查詢，其次的功能可以根據傳感數據來進行系統報警。根據監控軟件的需求分析，所要實現的功能為：

（1）多油氣井狀態查詢;

（2）傳感數據的監控;

（3）傳感器數據的報警。

圖4為多油氣井監控系統的主界面。

在對一個油氣井查詢后，對傳感數據的監控主要是通過對傳感數據的顯示，每1秒對傳感數據進行更新，使監控人員能夠更加方便直觀的通過當前的傳感數據對油氣井的狀態進行分析與預測。圖5為傳感數據的監控界面。

在傳感數據的監控和報警界面設定傳感器的報警上下限的數據范圍。當接收到的數據大于上限或者小于下限時，對該傳感器節點的狀態顏色改變來達到報警的效果。圖6為壓力傳感器節點的報警圖。

5結論

本文設計的基于LoRa的多油氣井監控系統主要負責采油井、注氣井、勘探井等多個種類油氣井的壓力、溫度、流量等傳感數據的采集和監控，在數據復雜且多樣的情況下通過此系統能夠有效地提高數據采集速度和油氣井管理效率。由此可見，LoRa技術對石油工業自動化領域有廣闊的發展前景。