微波原油含水率檢測儀與油田PCS通信的ZigBee實現

劉曉軍 秦紅杰 方浩 孟敏

1. 中石化河南油田分公司采油一廠，河南南陽 474780；2. 江蘇麥赫物聯網科技有限公司，江蘇無錫 214603

0 前言

油田信息化管理是把生產監控作為重要手段，以完成數據采集、動態分析和自動化控制為目的，全面實現油田可視化、數字化、智能化的一種管理模式[1]。井口壓力、溫度、功圖、位移、含水率和現場圖像等數據采集是實現信息化的重要基礎。

一般井口各設備數據上傳過程：現場設備將數據送至RTU（Remote Terminal Unit）模塊，RTU負責將數據上傳到后臺服務器，并將后臺服務器發出的指令送到相應設備。目前井口各設備與RTU之間的連接主要分有線和無線2種方式：有線方式主要使用RS485總線；無線方式則是利用ZigBee網絡。本文介紹微波原油含水率檢測儀的ZigBee網絡通信實現方法。

1 ZigBee技術

ZigBee是采用IEEE802.15.4的無線通信標準[2]，是一種適用于短距離和低速率下小數據量傳輸的無線通信技術，有低功耗、低成本、低復雜度和容納節點多（一個網絡理論上可支持65,536個）等優點[3-4]。缺點主要有：無線頻率容易受到干擾；各個ZigBee廠商協議棧太多或版本不兼容，造成各種ZigBee模塊不能互相通信。

針對油井來說，采集的數據基本在20 m范圍之內，并且空曠，部分功耗小的設備可用電池供電，適合采用ZigBee網絡進行數據傳輸。

2 微波原油含水率檢測儀

本文介紹的原油含水率檢測儀能夠測量原油中0%～100%含水率。其主要特點是采用微波在線測量方式，根據原油與水介電常數的巨大差異，對比微波速度變化測算出原油含水率[5]。

3 PCS系統網絡結構圖

圖1為PCS系統網絡結構圖。中心控制室與現場各種儀表設備的通信通過因特網實現，服務器和現場RTU配合工作，達到操作員與現場設備的數據透明傳輸、實時控制的功能。歷史數據存儲于服務器上，供用戶隨時調閱查詢。圖1中的通信模塊用于連接到2G/4G通信基站。

4 硬件設計情況

微波原油含水率檢測儀中實現信號上傳的主要硬件為MCU（Micro controller Unit）和ZigBee模塊。其中，MCU選用意法半導體STM32F103C8T6芯片，基于ARM Cortex-M3內核，性能強大；ZigBee模塊采用廈門四信通信科技有限公司的F8913D，其遵循中石化四化標準通信協議規范SZ9-GRM V3.01，具備中繼路由和終端設備功能，最長報文可達300 Bytes。MCU和F8913D的接線連接如圖2所示。

F8913D和MCU有3個引腳相連：RST是模塊復位腳，為防止F8913D死機，需要在程序中檢測通信回應報文，當檢測到3次無應答報文時，則控制此信號進行模塊復位；RX是通信接收，TTL電平，連接到UART1_TX；TX是通信發送，TTL電平，連接到UART1_RX。串口通信波特率設置為9600，起始位1，數據位8，停止位1，校驗位無。

5 通信實現

5.1 通信參數設置

ZigBee網絡通信中有3個重要參數：網絡號、信道號和地址。每個網絡都有唯一的標識符PAN ID（網絡號），因此，F8913D必須與RTU的協調器信道號一致。首先確定網絡號和信道號，根據中石化四化標準通信協議SZ9-GRM V3.01規定確認這2個參數：將油井名稱做CRC16校驗，以校驗碼為網絡ID號，信道號為ID號對16取余再加11。網絡號和信道號設置到RTU協調器和檢測儀中保存，地址按RTU規定設置。

5.2 數據通信

RTU和原油含水率檢測儀之間的數據通信過程如圖3所示。

RTU接收到常規數據后，發送常規應答，結束本次通信，儀表進入休眠。休眠時間在應答數據中體現，若RTU沒有應答，儀表不做重發處理。本含水儀不休眠，按RTU給的休眠時間定時發送數據即可。

5.3 ZigBee模塊命令設置

MCU對F8913D的命令設置是通過AT命令實現的，根據節點類型和通信協議確定使用表1所示命令。

其中，1至10號命令是在使用模塊前由USB-TTL線通過串口設置到ZigBee模塊中，11、12號命令在儀表啟動后根據存儲的參數進行設置[6]。

表1 AT命令使用表

5.4 ZigBee通信程序實現步驟

（1）初始化程序。程序啟動時按參數中網絡號和信道號對ZigBee模塊進行設置；

（2）檢測和處理主程序。在主程序中一旦檢測到網絡號或信道號參數改變，需要重新對ZigBee模塊進行設置。圖4顯示了信道號改變處理流程，網絡號處理與此類似；

圖中AT命令操作部分流程邏輯采用不同標記狀態來控制，減少等待時間占用MCU。串口接收發送用中斷，使用定時器返回判斷等待時間，在主程序大循環中，根據標記來查看串口緩沖區數據，確定本次AT命令是否返回正確；

（3）定時發送數據報文程序。MCU按休眠時間間隔周期，通過F8913D模塊向RTU發送數據報文。

5.5 報文實例和解析

微波原油含水率檢測儀發送報文：

00 01 A0 12 30 12 00 01 00 00 0014 00 FF 00 FE 00 FD 00 FF 01 00 03 EC 04 EE 03 EC 04 EE

斜體部分為幀頭數據報文，后面為數據內容，解析方式如表2和表3所示。

用戶實際使用分鐘含水率，每次發送報文后收到“OK”回復；若3次接收不到，則認為ZigBee模塊死機，重新啟動模塊。

6 結束語

軟件使用Keil MDK5編制，成功實現微波原油含水率檢測儀與RTU通信，將數據上傳到服務器，并在油田PCS系統顯示。目前設備在現場正常運行超過2年，充分驗證了本方案的實用性和可靠性。先進的原油含水率測量方法與低成本、高可靠的數據通訊方式有機結合，為油田無人化監測提供了成功且有益的嘗試，為今后各類石油儀表傳感器智能化探索了道路。

表3 數據內容報文解釋