基于Zig Bee組網的通信組合技術與路由協議算法的優化

楊軍 李丹 魏斌 張飛朋

1大慶油田設計院有限公司

2中國石油天然氣管道工程有限公司

3華北油田公司物資分公司第二供應業務部

4中國石油新疆油田分公司采油二廠

隨著油田自動化、數字化的快速發展，對油田建設相配套的網絡和通信技術要求越來越高，特別是山間、野外現場集中的油水井數據采集，存在通信信號不穩定等問題。對此，不僅要考慮傳輸速率，還要考慮穩傳輸定性、成本、失效性和時延性等問題。

Zig Bee 技術是一種新的無線通信技術，它使用CSMA-CA 技術解決數據沖突問題[1]，使用16-bit CRC 來確保數據的正確性。其中，基于Zig Bee 2007 協議的SoC 芯片CC2530 每片價格不到20 元，采用1 節5 號電池可以為其持續供電三個月，具有低成本、低功耗的優點。該芯片還具有組網靈活的優勢，可以嵌入各個設備，具有自我修復能力。采用AES-128加密技術，對傳輸數據進行加密，在保障了安全性的同時，兼具高可靠性、低成本、低功耗、短時延、組網靈活等優勢，主要適用于遠程控制領域。

Zig Bee 路由協議是該技術的網絡層設計核心[2]，其路由算法主要分為Cluster-Tree（分支路由）和AODVjr（距離矢量路由）。兩種路由算法各有優缺點：在失效節點個數與平均端到端時延方面，AODVjr較有優勢，而Cluster-Tree 在節約能量方面較有優勢。

1 山西煤層氣田通信現狀

山西煤層氣田地勢較高，山多人少，存在信號不穩定的問題。2 000多口井中，有1 300多口井在山上或者山間，現階段主要有兩種通信方式：Zig Bee 終端+McWill 和ZigBee 終 端+GPRS 傳輸 組合。兩種通信方式不僅應用于單井，還應用于井組。單井自動化系統數據流向為傳感器采集單井數據后，由Zig Bee 終端傳感器直接通過油田專網Mcwill 或GPRS（移動公司開設的無線專網）將數據傳送到遠端服務器，實現數據的傳輸、存儲和實時監控（圖1）。使用該通信方式，一個井組（10口井）需要使用10 套Zig Bee 終端傳感器（一體化示功儀）、10套GPRS模塊和手機卡。具體傳輸流程見圖1。

圖1 山西煤層氣田通信數據流向Fig.1 Communication data flow direction in Shanxi coalbed methane field

2 Zig Bee路由協議

某油田Zig Bee 采用的是Cluster-Tree 算法，利用特殊的網絡地址分配來尋找路徑，數據傳輸到的每一個新加入網絡的節點都會選擇一個有路由能力的節點為父節點，下一節點為子節點，且每個子節點只有一個父節點。

數據包傳送到某一個節點，假如該節點不是目標地址，就會到父節點或者子節點尋找目標地址，直到找到目標地址（圖2）。

圖2 Cluster-Tree算法的數據流向Fig.2 Data flow direction of Cluster-Tree algorithm

由圖2可以看出，該算法路由節點沒有路由發現過程，即當節點收到數據包分組時，如果數據包的目的地址不是本身，就會把數據包發送給子節點或者父節點處理。當由父節點或子節點來轉發數據包時，因為所經過的路徑都比較遠，所以數據包無法確定是否經過最短路徑來傳送，導致數據包經過多跳的數據傳輸，從而增大了數據傳輸的失效率和時延性。

綜上所述，該算法存在以下問題：

（1）GPRS信號不穩定。因為上述Zig Bee終端傳感器（一體化示功儀）必須安裝在光桿上端，位置固定不變，如果該處恰逢無信號，會導致無線傳輸的數據連續性差，不能有效傳輸。

（2）針對井組的井場，需要多套Zig Bee 終端傳感器（一體化示功儀）、多套GPRS 模塊和手機卡，相對成本較高。

（3）成功傳輸到遠程服務器的數據包有一定概率的失效性和延時性。每兩個小時采集一張功圖，會存在三天或四天丟失一張功圖的問題；發送采集命令，在一定時間后，才會上來功圖。

3 通信技術創新

Zig Bee 協調器主要負責建立一個新的網絡以及網絡參數配置，保證與其他設備間的正常通信，其數據流向如圖3所示。

圖3 ZigBee組網與GPRS模塊通信數據流向Fig.3 ZigBee network and GPRS module communication data flow direction

針對井組，可以在每口井上安裝Zig Bee 傳感器終端，在每個終端進行傳感器地址設置，通過無線傳輸到Zig Bee協調器上，由協調器通過GPRS模塊將數據傳送到遠端服務器相應算產軟件上。10口井綁定一個手機卡，通過傳感器中RTU 地址進行區分處理，分類存儲并利用功圖算產。井組現場中，假如井口位置GPRS模塊信號不穩定，可以將協調器擺放到信號相對穩定的地方進行GPRS數據傳輸。這種組合通信方式，需要10 套Zig Bee 傳感器、1 個Zig Bee 協調器和1 套GPRS 模塊，相較于之前的通信方式節約了成本。

4 算法結合優化

AODVjr 路由算法的主要特點是能根據源節點到目的節點最短路徑來選擇路由[3]，從而減少了重復廣播次數，其缺點是多次廣播分組而消耗過多的能量；Cluster-Tree 的主要缺點是數據包到達的節點如果不是目的節點，數據會通過該節點的子節點或者父節點進行傳遞，從而導致路徑變遠，但是沒有經過廣播分組，所以能量消耗相較于AODVjr要少。

結合Cluster-Tree和AODVjr算法，將網絡中的節點分成兩種類型[4-7]：①節點剩余能量充足，且有足夠儲存空間去完成AODVjr 算法；②節點能量不充足，且沒有足夠的儲存空間，無法完成AODVjr算法。如節點能量不足，無法完成AODVjr 算法，將直接進行Cluster-Tree 算法。沒有到目的節點的路由按照AODVjr 路由算法尋找通往目的節點的最優路徑，找到目的節點后直接將數據包沿該最短路徑直接發送，無需再將數據傳送至子節點或者父節點[8]。也就是說，使用Cluster-Tree 傳輸方式按照AODVjr 優化的路線進行發送，從而在保證節約能耗的前提下，在一定程度上降低傳輸數據的失效性和時延性（圖4）。

圖4 優化后的數據流向Fig.4 Data flow direction after optimization

5 系統應用對比

山西煤層氣田成莊華蒲井組的4口井設在半山腰，新的通信組合模式于2018年4月投入使用。

（1）之前由于井場遠離信號基站，信號十分不穩定，于是為4 口井安裝Zig Bee 傳感器，將Zig Bee 協調器柜擺在井場東南角信號較好處，GPRS模塊通信成功，數據包遠傳至服務器，完成采集、存儲、算產等功能。該通信系統運行穩定、可靠。

（2）之前一個井組4 口井通信組合需要4 套Zig Bee 終端+4 套GPRS 模塊（手機卡），而新的通信組合僅需要4套Zig Bee終端+1套Zig Bee協調器+1 套GPRS 模塊（手機卡），在很大程度上節約了成本。

（3）針對Zig Bee 路由協議，使用NS2 仿真優化后的算法與前兩種算法的失效節點和延長時間[9-10]進行比較。仿真場景共80 個節點，設置區域大小為800 m×600 m 的仿真場景，共80 個節點，仿真時間為200 s，每個網絡節點的初始能量為100 J，整個網絡總能量為5 000 J。仿真后時效性和平均端到端時間如圖5、圖6所示。

圖5 失效節點與運行時間關系曲線Fig.5 Relation curve between failure node and running time

圖6 平均端到端時間與節點個數關系曲線Fig.6 Relation curve between the average end-to-end time and the number of nodes

仿真結果表明：兩種算法優化后，失效性和時延性明顯得到了改善。由于該油田處于Zig Bee Cluster-Tree 算法的應用層，并不能直接對路由協議算法進行更改與完善，需將此情況盡快反饋給Zig Bee 廠家，讓其按照上述優化思路進行優化，在保證節約電池能量的同時，降低Zig Bee 傳輸的失效性和時延性。