油田無線能量收取及低耗協議研究

（大慶油田有限責任公司第一采油廠 信息中心,黑龍江 大慶 163000）

1 油田無線網絡的應用現狀

隨著油田信息化的不斷發展，各巡視巡檢系統對無線網絡的需求逐年增大，如何保質保量地提供信息，又能減少能量的損耗，一直是困擾油田無線網絡發展的重要問題。油田一般采用壓電模型及溫差模型，實現油田機械振動能量的自動化收取。EnOcean 是常被油田使用的無線發送收取技術，作為超低功耗的短距離無線通信協議，多應用于室內能量收集，在智能家居、工業、交通、物流等領域也有涉及。應用此項技術，可從油田機械工作和戶外工作中收取能量，并發散成無線信號，最后通過數據接口完成傳輸采集的信息對接。但目前，油田網絡傳輸能量損耗較為嚴重，無形中增加了油田運行成本，在油田技術應用方面，要通過更為低耗的通信協議來降耗，對收取能量產生的能耗進行整理分析，積極從降耗、降能兩個方面入手，將能量轉化為電能，從而降低無線網絡的投入費用。

2 EnOcean 技術在油田無線能量收取中的應用

EnOcean 技術適合油田開發應用，該技術的廣泛使用不僅可以減少電纜鋪設及人力，也可取代部分戶外用的電池，降低維護費用和電費。下面重點介紹基于EnOcean 技術的兩種無線模塊供電方式。

2.1 無線模塊的振動供電

在油田生產中振動很普遍，如抽油機的振動、運行機泵的振動。油田企業可借助壓電模塊，通過壓電效應產生振動力量，控制內部電荷定向運動產生電能。一般采用壓電薄膜微力傳感器效果更為顯著，雙壓電薄膜模塊具備雙向耦合特點，通過多次技術試驗，測出其傳感能力和執行能力較高，是油田生產運行中振動信息收取的第一選擇。在確定好硬件傳輸設備后，振動供電一般采用EnOcean 無線電的868 MHz 民用開放頻段進行數據傳輸，有效避開了擁擠的2.4 GHz可能造成的干擾。通過EnOcean 協議與傳感器，會在第一個振動子報文傳出后的40 ms 內，隨機重新發送兩個相同的子報文，這就大大降低了干擾導致的丟失數據的概率，這也是其他無線電協議所不可比擬的優勢。

2.2 無線模塊的溫差供電

大慶油田位于寒冷的東北，在生產過程中，春秋溫差大，晝夜溫差也較較大。這些溫差可轉化為大量能量。應用溫差無線模塊后，0.1 ℃的細微變化就可以發送2 000 個無線信號。可通過設定溫度閾值范圍，利用差值持續獲得能量。0.05 ℃的微小溫差，就可產生4 mV 的電壓，可推動溫差控件工作，節省油田無線信號的傳輸成本。EnOcean 協議可以將溫差能量轉換器與超低功耗電子設備和可靠的無線通信結合在一起，使系統在休眠時僅消耗非常少的能量。目前，油田使用的EnOcean 無線傳感器所需的待機電流僅為100 nA，有效地推動了油田企業無線能量收集的標準化、規范化、專業化。

3 油田無線能量存儲

3.1 存儲電路

振動電路由兩部分組成，分為A/D 整流電路和過濾電路。通過振動，把交流電轉成直流電，保證無線信號的穩定傳輸。

3.2 電荷收取電路

在能量收取穩定后，在電路中增加微動開關，可隨時控制關閉電路，避免電能浪費，同時無形中增加電流的電磁感應，當電壓達到最大后，就隨時關閉電路，將能量提前存儲到電子硬件中，大大提升了信息傳輸效率。

3.3 能量升級

當收取能量微弱時，一般選擇升壓電路，該電路由電感、電容、開關管、二極管組成。利用二極管反向截止特點，當開關關閉時，通過升壓保證電流的持續性。

3.4 能量存儲

儲能器件主要包含超級電容及薄膜電容。本項目選用的是效率耐性較高的電容，長時間使用可忽略放電特性。密度雖然低于普通電容，但性能相對較高。普通電池的電壓值不高，而超級電容的電壓高且穩定，常用于信號快速變化的傳輸情況。

4 無線傳感采集點消耗研究

油田生產中有些工作場地較為特殊。在油田艱苦的井場條件下，采集點信號補給經常不足，采集點可能是不規則的，并需要避開河流湖泊等外部環境，組網沒有任何規則。所以，當采集點范圍廣時，要首先確定通信區域范圍，并選擇多次跳轉路由方式。當采集點需要遷移或硬件局部損壞時，網絡拓撲一般根據生產需求隨時改變。當采集點需要較少信號時，協調組織模塊發出標記，其他采集點處于休眠狀態。當生產需求達到峰值時，按照指定時間進行喚醒。如果傳輸距離較遠，采集點很久才會獲取到信息，傳輸過程有較多的消耗。解決方案是將收取器和電容器同步，減少能量損失。另外，無線傳輸需要控制數據量，通過詳細計算采集空隙時間，保障數據的質量和時效。采集點的休眠時間越長，傳輸的延時就多，相應的能耗也會增加，所以要結合實際情況，在采集點休眠時長和數據傳輸量之間做好平衡，將能耗降至最低。

5 降耗路由協議

5.1 路由設置的必要性

在采集點和接收點之前，需要有一個穩定的網絡協議。優秀的傳輸協議可以保證信息傳輸的穩定性。油田需要采集的信息多且地點廣泛。區域范圍大會帶來巨大負荷量，不適用于遠距離無線傳輸。普通的協議提供點到點服務，但如果存儲不及時，會影響油田的數據質量。所以在效率高和低消耗方面需要做出選擇，這就需要一個均衡的協議來保障。

5.2 相關路由協議分析

在路由協議的要求下，相互產生反饋生成信息閉環。接收點需向采集點發出詢問，采集點接到后發送檢測信息。在Flooding（泛洪數據流協議）、SAR 路由協議等常規協議中，接收點要不停地發路由，不考慮算法，所以浪費了大量網絡資源。另外，常規協議還存在信息丟失的風險，如果接收點接到過多的冗余數據，會產生數據風暴。該問題的解決方案是將同類型采集點形成簇結構，按算法要求，選擇中心采集點為簇頭。在簇頭形成后，控制其他相關上、下層采集點，從而使很多協議應用更為便捷，不存在單耗高、資源浪費情況。基于以下兩種可靠的協議應用，可以有效降低能耗。

5.3 Leach 協議

Leach 算法是一種無線傳感器網絡路由協議，該算法基本思想是，以循環的方式隨機選擇簇頭節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中，從而達到降低網絡能源消耗、延長網絡整體生存時間的目的。仿真系統結果統計表明，與一般的平面多跳路由協議和靜態分層算法相比，Leach 分簇協議可以將網絡生命周期延長15%。Leach 協議在整體自組網中查詢總能量，并將總體數額、壓力負載均分到每個接收點，使整體自組網延長壽命，有效地降低風險。在油田工作中，相關人員可以協調本地集群組織，根據不同生產要求選取有效的簇首。當接到信息后，可處理匯總發送數據；通過應用負載均衡技術，可有效避免冗余過高問題，使無線網絡電池電量消耗降低。目前生產應用可達到降低無線能源消耗目的，提高整體效率。Leach 技術用信息壓縮和分層動態兩種方法，結合具體工作情況，可以提高網絡的穩定性和延展性，讓有效信息完成整合后再傳輸，大大降低發送的信息量，有力控制、均衡網絡的整體負載，防止單個采集點過度損耗。

Leach 協議先要選擇好中心采集點，中心點與周邊點構成簇結構，負責區域內信息的主要通信。設計中心點位置時，要使一定的區域范圍內每個點都隨機分布，并利用函數公式生成0～10 的隨機數字，將數字自動組成的三位的隨機值，并選為中心點。之后的若干次選擇，在整個語句的每個循環都去輪詢該中心點，一直到整個語句協議的結束，這樣就避免了每個點長期使用帶來的消耗。

中心點確定后，無線終端把總能量均分并傳遞信息。區域內其他點與中心點雙向傳送信息，在生產情況規定時間外，采取休眠降低能耗。當信息收取完，中心點開始整合數據，并傳送給基站。因為生產區域大，基站設置點之間的距離可能很遠，經過中心點的連接傳播轉送，大大減少了傳送量，這項研究將在降低耗能方面成效顯著。

5.4 Ldeec 協議

Ldeec 協議，一般先匯總各點的初始能量，但是每個點的測算會增加耗能，所以項目選擇先測算出平均余量，采用估值法測量采集點的中心位置。測量的結果僅作為參考，并根據生產實際情況，測算出采集點到基站的距離，用數值算法均勻地選取區域，使區域內所有采集點都包括進來，算出每個簇的區域范圍尺寸，盡可能地減少傳輸距離。經過實際情況測算和仿真結構驗證，可得出采集點非常集中的結論，從而達到無線網絡均勻耗能。Ldeec 協議對選取中心點的優化，保證了無線采集點的高效匯總迭代，可延長同等電量的使用時間。

6 結語

本文研究了基于能量收集的超低功耗及短距離無線通信，基于EnOcean 技術，研究了振動能量及溫差能量的收取、保存、儲存，并探討了無線網絡如何有效地驅動、采集、傳送信息。項目以超低耗協議設計為落腳點，對各個信息高效處理，達到定時啟停電路開關、降低能耗的效果。本文通過深入分析總結Leach 協議路由與Ldeec 協議的根本區別，應用理論并結合實踐，以延長能量的使用儲存時間，并對信號傳輸進行算法優化處理，對比評估各協議設計思路，根據采集點的能耗特點，通過仿真結果得出最終結論，分析出降耗的優化方案。隨著油田未來數字化無線網絡的推廣完善，油田無線傳輸的低耗能設計有著廣闊的應用前景。