基于ZigBee技術的自動化儀表在油田中的應用分析

許欽云

（大慶油田設計院，黑龍江 大慶 163000）

油田中有流量計、溫感計和壓力表多種儀表設備，上述儀表的安全運行決定油田生產效率以及使用效益。因為油田生產期間作業環境較為惡劣，因此，結合實際需求設計出自動化運行儀表，能夠提高油田生產效率，并且保證儀表數據高度精準。在物聯網發展過程中，各類新技術和產品逐漸推廣，Zigbee技術屬于新型通信技術，其應用在油田的儀表中，能夠實現自動化控制，屬于油田當中儀表自動化系統常用的無線通信技術。

1 Zigbee技術的應用優勢

Zigbee技術和Wi-Fi技術、藍牙技術等類似，屬于常見的短距離的無線傳輸類型技術，能夠結合特定場景傳輸需求，完成無線傳輸。還可以結合傳輸速度、消耗電量以及傳輸速度等需求，靈活應用。綜合對比，Wi-Fi技術在安全性方面尚未完善，而藍牙技術使用環節，需要復雜的協議，并且傳輸的速度相對較慢，還需消耗較為復雜的芯片成本，傳輸距離可能受到限制。使用Zigbee技術能夠利用IEEE802.15.4準則，完成無線通信，結合應用環節輸出功率以及傳輸環境需求，綜合確認傳輸距離。

Zigbee技術應用過程，處于10～70m的傳輸距離內，擁有良好的傳輸效果，能夠適合多頻段傳輸。如2.4GHz頻段、915MHz頻段、868MHz頻段，傳輸速率最高可達250kb/s。同時，Zigbee技術應用過程，具有較高的安全性，通信環節時延較短，能夠靈活組網，可高度兼容，功率損耗較低，且施工成本低。因其具備上述優勢，大量應用在遠程控制以及自動化控制等領域當中。Zigbee技術能夠應用在高度復雜的環境，并且便于攜帶與固定。在油井上，能夠一步完成數據采集設備的布線，因此，可以在一定程度上將施工成本和工期縮短。設備使用過程，相互之間不會產生干擾，因此，系統運行高度穩定，安全性也有所提升。油田儀表的數據流量相對較小，并且實時性相對較低，所以，Zigbee技術在油田自動儀表當中較為適用。

2 Zigbee技術在自動化儀表中的應用

2.1 網絡協議與結構

Zigbee技術屬于一種無線網絡協議，能夠按照低速率的控制網絡展開設計。共有兩種形式，分別為Zigbee聯盟與IEEE802.15.4協議。使用IEEE802.15.4協議作為MAC層和物理層，使用Zigbee聯盟作為應用層、網絡層等。

Zigbee接口的物理層當中，共有3個工頻，其中，2.4GHz頻段上有16個信道，最高傳輸速率能夠達到250kb/s；在915MHz頻段中，共有10個信道，最高傳輸速率可達40kb/s；在868MHz頻段上，有1個信道，最高傳輸速率可達20kb/s。但是，在實踐應用階段，可能受到數據包損耗和響應延遲等影響，導致速率難以達到上限。使用簡易、靈活的方式，設置MAC層協議，能夠實現低成本和低功耗等優勢。Zigbee協議的應用，能夠適合多種邏輯的鏈路層標準，還支持MAC層的IEEE802.15.4相關服務。除此之外，Zigbee協議還能借助CSMA/CA信道以及握手協議等接入方式，使得信道接入傳輸數據更加穩定和可靠。

利用IEEE802.15.4協議標準，使用Zigbee技術，能夠將MAC層上方協議確定下來，組成部分包括網絡層、安全層和應用層。在應用層中，能夠輔助設備完成業務發現與業務匯聚等數據流操作；通過安全層，能夠捕捉節點信息，防止終端設備出現信息泄露的問題；在網絡層中，主要利用Adhoc技術，能夠實現低功率和低成本的傳輸。

2.2 平臺總體設計

在Zigbee技術應用過程，需要開發出完整的平臺，使用MCU+RF硬件，MCU控制模塊使用MSP430F1611作為系統模板，并利用Zigbee收發模塊作為CC2420模塊，并使用過SPI模式通信。

2.3 設計控制模塊

（1）MSP430芯片設計。油田中，自動化儀表組成部分包括供電線路、Zigbee通信電路、主控器、傳感器以及顯示電路等。其中，主控器主要是借助傳感器，將儀表信息進行采集，并通過顯示器呈現出來，利用Zigbee發射電路進行發射。油田的自動化儀表，均需通過傳感器完成信號采集，并通過簡單轉換，利用顯示器顯示出來。之后，再通過Zigbee電路進行發射。在此過程中，無須經歷較為復雜數據計算，只需選擇適合的微控制器，即能達到設計要求。可選擇MSP430系列單片機，采用16位精簡的指令架構，并具備低功消耗特性，可以滿足電池的供電需求，具有較強的運算能力，穩定性也較強，可應用在工業儀表的設計中。

由于處理器主頻存在高低差異，可直接影響功率消耗，并且二者之間成正比，因此，為控制功耗，可將芯片工頻降低。選擇MSP430單片機，能夠對時鐘系統靈活配置，并且對于不同部分時鐘實施分別控制，并對芯片之內不同部件工頻靈活調節，最終對系統功耗進行動態化調節。處理數據時，能夠將對應時鐘開啟，并將工作頻率提高，確保任務的實時性。并在芯片空閑時，將部分時鐘關閉，進而將芯片功耗有效降低。

（2）CC2420芯片設計。利用CC2420芯片，完成Zigbee電路設計。由于此類芯片具有高度的集成化特點，因此，射頻電路中需要的元件相對較少。使用內置電源展開電源電路管理，需要將供電電壓控制在2.1～3.6V。如果借助外部電源展開電路管理，只需保持供電電壓處于1.6～2.0V即可。電路采取“雙休眠”這一模式，相互切換需要消耗的功率損耗較小。

針對大部分的應用來講，芯片處于休眠的狀態，能夠降低功耗，并且適用于電池供電。使用過程，如果將穩壓器關閉，則典型的消耗電流0.02μA；在空閑模式下，能夠消耗426μA電流；處于發送模式下，可消耗電流17.4mA；處于接收模式下，消耗電流18.8mA。

2.4 通信測試

利用Zigbee通信的油田自動化儀表，傳輸字節數量可借助幀格式進行確認。在數據包中，有n+17個字節，在其中選擇n個值，可實現循環傳輸超過1000次，當接收到數據包時，數據包的數量增加1，即可對接收數據展開進一步校驗，經檢驗后，如果發現和發送數據數量相符，則正確數能夠增加1，相反，則錯誤數可增加1，之后展開統計，能夠計算出誤包率以及丟包率。

當傳輸距離為10m時，可接收正確數據包999個，錯誤數據包1個，丟包率為0.000，誤包率為0.001；當傳輸距離為20m時，可接收正確數據包996個，錯誤數據包3個，丟包率為0.001，誤包率為0.003；當傳輸距離為30m時，可接收正確數據包993個，錯誤數據包5個，丟包率為0.002，誤包率為0.005；當傳輸距離為40m時，可接收正確數據包987個，錯誤數據包8個，丟包率為0.005，誤包率為0.008；當傳輸距離為50m時，可接收正確數據包981個，錯誤數據包10個，丟包率為0.009，誤包率為0.011；當傳輸距離為60m時，可接收正確數據包979個，錯誤數據包12個，丟包率為0.009，誤包率為0.012；當傳輸距離為70m時，可接收正確數據包973個，錯誤數據包15個，丟包率為0.012，誤包率為0.015；當傳輸距離為80m時，可接收正確數據包945個，錯誤數據包31個，丟包率為0.024，誤包率為0.031；當傳輸距離為90m時，可接收正確數據包905個，錯誤數據包46個，丟包率為0.049，誤包率為0.046；當傳輸距離為100m時，可接收正確數據包832個，錯誤數據包116個，丟包率為0.052，誤包率為0.116。

通過上述分析，可以看出，當傳輸距離越大，字節越多時，使用ZigBee技術傳輸數據的丟包率、誤包率等也不斷增加。并且當傳輸距離在10～70m時的數據傳輸準確率相對較高。但是，超過70m以后，準確率降低。可見，ZigBee技術適合應用在近距離傳輸。

此外，為保證數據穩定傳輸，還可以通過降低發射速率、縮短實時通信距離以及避讓障礙物等方式，滿足油田儀表傳輸需求，實現穩定生產。

3 結語

油田管理環節，需要使用各類自動化儀表，利用ZigBee技術能夠實現對儀表的自動化控制，結合IEEE802.15.4標準，分析ZigBee協議以及網絡構架，并建立控制模塊，滿足油田儀表的自動化控制需求。