無線采集模塊在EPS 作業數據采集方面應用研究

王 偉 李 斌 張雪梅 劉 陽 董祺禹 張貴磊

（1.天津市海洋石油環境和儲層低傷害鉆完井液企業重點實驗室，天津 300450；2.中海油田服務股份有限公司，河北三河 065201）

0.引言

隨著中海油服海上EPS 作業量的不斷增多，其業務功能日益豐富，作業流程逐步成熟，對現場作業參數的檢測需求也變得越來越有必要，相應電子產品的性能要求也隨之提高。無線傳感器網絡不但能收集需要的數據，而且能對各種環境、各種條件下的通信進行有效的處理，使其能夠獲得最好的通訊結果。同時，無線傳感器網絡故障管理的研究主要分為3 個階段：故障檢測、故障診斷和故障恢復。為了保證網絡數據傳輸的可靠性，拓展無線傳感器網絡的功能多樣性，在最小化網絡能耗的前提下，本文所涉及的工業無線網絡為工業現場設備的無線采集技術提供了一種靈活的布線方式，并已在工業自動化領域得到了廣泛應用，解決了傳統的故障診斷方法存在的問題。因此，在 EPS 的數據采集中，應用無線通信技術對其進行監控和控制是極為必要的。

1.無線采集模塊概述

1.1 采集原理

無線數據采集又稱數據獲取，是一個由無線模塊、感應器、從系統外部獲取數據并輸入到系統中的一個應用程序，其工作原理來源于模擬和數字被測試裝置（如無線模塊）和其他待檢測設備中，自發地收集非電量、電能，然后由信號處理模塊完成簡單的計算、數據分析，再把這部分傳輸給數據傳送系統。本文主要闡述了以EPS（Environment Protection Solution）作業數據采集為主，采用無線模塊、感應器等設備硬件和計算機應用軟件相結合，對各類物理現象進行檢測的數據采集方式。該系統采用了數字信號處理技術，實現了對數據的實時處理，以及對數據的有效提取，所獲得的資料多數為暫態或一特定時期的特征值[1]。

1.2 作業數據采集測量方案論證

作業數據采集是利用儀器設備和計算機技術對測量對象進行的各種信息采集、記錄和處理。數據是在生產過程中形成的，而生產是一項復雜的系統工程，其涉及工業生產過程中的方方面面，如生產管理、產品質量管理等。因此對各種生產經營活動實施全面信息掌握和分析有著重要的意義。這不僅要求測量儀器設備采用正確的工作方法進行數據采集，還需要對采集到的數據進行各種必要的處理和解釋。而數據采集技術測量方案論證則是指利用一定的技術手段，對采集到的數據進行整理分析，并對這些數據進行系統、全面的分析，從而對生產過程進行最優的調整。

測控系統的工作以數據為基礎，其流程大致可分為3個階段：數據輸入/輸出、數據傳遞和數據處理。一般來說，數據的輸入/輸出方式取決于硬件系統，數據傳遞依賴于數據的輸入/輸出和數據處理的需要，而數據處理的過程則取決于測控任務的內容。不同的測量方法各有優缺點，需要對各種方法和技術的適用條件和范圍進行進一步的探索。因此，無線數據采集作為當前有線連接傳統技術的替代手段，能與EPS 業務形成較好的數據監測控制技術，在物聯網、工業控制、電力業務等方面得到較為廣泛的應用[2]。面對新技術的快速迭代，有線網絡公司也將積極加快研發和應用，不斷開展新業務新技術，探索物聯網技術與數據分析技術的有效融合，為公司開發提供強有力的技術支持。

1.3 數據采集方案分析

在現代信息通訊領域，無線數據采集技術是一個非常重要的課題。在許多方面，如無人能及的偏遠地區、強腐蝕性、無法利用有線接入等場合，采用有線資料采集與傳送，顯然已經不能滿足資料的收集與傳送需求。隨著物聯網、工業控制、環境監測等領域的不斷深入，人們對其進行了深入的研究。

該系統的硬件組成主要包括3 個模塊：STM32F407ZG，ESP 模塊和PC。在此設計中，ESP 模塊是SPI（SPI），其主要作用是對設備的設定進行監視和調整，并且可以獲取與記錄檢測設備相關的信息，如設備編號、位置或設備信息等。數據源模塊充當SPI（SPI 主動裝置）；ESP 與主機之間的以太網連接是由WLA（Wireless Access）實現的。在任何有網絡的情況下，通過與該系統的公用IP 進行遠程監視，為用戶提供了很好的便利，具有很強的實用價值。

2.無線數據采集的必要性

在當今的互聯網時代，數據收集的重要性日益突出，需要多個部門、多個環節嚴格把關，同時，針對數據的安全性、存儲能力、處理能力等方面都有較大的技術需求。但是，在實際應用中，仍舊存在著數據量大、內存空間大、計算復雜等問題，為了能夠有效解決這一問題，連接電力設備維護的“溝通橋梁”。無線數據采集技術的引入是迫在眉睫的。相比于傳統的數據采集，其最大的優點就是無需線路連接，安裝和調試都很靈活，成本也很低。在某些特定或苛刻的情況下，采用無線數據采集技術是最佳選擇，能夠有效減輕受環境因素影響造成的數據誤差。特別是在硬件和數據庫技術的發展下，大量的數據可以被儲存起來，可以對各模塊的信號進行快速的處理，并能在較大的范圍和較短的時間內完成數據的收集。在此基礎上，采用先進的技術架構，可以在一定程度上，根據不同的需要添加或更改模塊，并通過相應的程序對其進行擴展和修正，從而在最短的時間內，建立起一套可以解決特定問題的體系。

3.基于EPS 作業數據采集的無線采集應用

3.1 數據采集

數據采集（DAQ）是模擬和數字被測量的元件，例如傳感器和其他待測試的裝置，自動地獲取無電或電量的信號，然后發送給計算機進行分析、處理。通過串口、并口、USB 等多種方式將數據傳送至電腦。數據采集系統是將測量軟件和硬件產品與計算機或其他專門的測試平臺相結合，實現用戶定制的靈活的測量系統。本文主要以數據采集設備為基礎，建立了一個測試平臺，利用VE 軟件實現了對電子信號的實時處理。此外，在數據處理方面，目前多數系統都是采用直接MCU 來完成傳感器數據的處理，而本系統采用ZigBee 節點來實現數據處理，就可以盡可能降低了數據中的干擾，使無線通信距離得到一定的提高[3]。

3.2 在線監控

隨著計算機技術、通信技術和圖像處理技術的飛速發展，視頻監控技術已經成為一種新型的安防技術。但是，傳統的監測方法成本高，而且受到所選擇的視頻設備與廠商差異性的影響，造成了視頻系統不能相互連接、不能共享等問題。針對當前存在的多種監控設備，制約了視頻資源的共享，為此，本文著重研究了如何建立一個基于Client/Chrome 的集成視頻監控系統，并將其用于多個廠商的視頻設備的統一管理與利用。為了能夠與多個廠商的設備相兼容，從不同的設備中讀取不同的視頻設備，并解決虛擬設備的多設備、協議的擴展性等缺陷，設計了一套虛擬設備界面[4]。

3.3 自動監控設備

EPS 功能自動檢測裝置廣泛用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等方面，并可以在不同的操作系統平臺上使用，滿足各種工業領域的技術需要，并對各種工藝數據進行實時的采集、監測，系統全面地分析數據，以便做出最佳的工藝調整。根據不同的生產場地需要，對產品的外形、臺面進行匹配，從而達到自動操作的目的，滿足不同行業的客戶需要。

3.4 在線自動監控系統

該系統的應用為實現無人化、高效、高靈敏度的實時監測提供了有力的保障。隨著計算機技術、通信技術和圖像處理技術的飛速發展，視頻監控技術已經成為一種新型的安防技術。視頻監控作為監控系統中的一個關鍵環節，主要包括前端攝像機、傳輸電纜、監控平臺等。但是，傳統的監測方法成本高，而且受到主觀因素的影響，使得自動化監測越來越受到重視和發展。在監測系統中，除了主要傳送影像訊號之外，還可以針對不同的需求，例如，對重要部位的語音訊號進行分析，由控制中心進行監控，并能傳送語音及控制訊號。

3.5 信息采集點

EPS 信息采集站作為一個網格化的產物，主要分為兩大類：再分析數據和預報數據。由于其在數據上所占的比重較大，可以有較好的追蹤趨勢，并對未來的數據進行預測，因此也被各大企業廣泛使用。但是，當前的市場數據規模龐大，結構復雜，難以進行準確的預測，因此，采用市場仿真、間接預測等方法難以實現。在這種情況下，本文采用數據挖掘技術，利用大數據的優點，從大量數據中抽取出有價值的數據。在收集到的資料基礎上，結合實踐經驗，對未來的市場進行了預測，并將其綜合起來，運用平均或加權的方法對其進行數學分析，得出其預測效果。

4.數據采集現狀及其未來發展趨勢

4.1 隨著大數據產業的廣泛應用，對大數據收集的需求不斷增加

數據收集是實現大數據在各個領域中的應用和產生價值的先決條件。隨著網絡技術的飛速發展，海量的數據信息被廣泛地運用于數據平臺和專家的專業分析之中。為保證數據傳輸安全、存儲安全、審核安全，必須采用嚴格的身份認證機制，滿足數據安全和國家需求的加密機制，合理的數據隔離和完善的容災備份機制。隨著大數據安全技術的不斷完善，傳統的安全監控技術還存在不足，傳統的隱私保護技術失效。大數據管理技術已經在金融、電信、能源等領域得到了廣泛的應用，并在此基礎上建立了一套數據管理系統，從數據安全、隱私保護、質量管理、數據分析等多個角度出發，對數據收集的需求會逐漸被激活，從而推動數據收集軟件和服務的市場規模不斷擴大。

4.2 大數據收集更重視對異質數據源的兼容

數據的數量呈指數級的增加，存儲、計算、部署等方式也在發生著同步的改變，數據的運算速度不斷加快，但數據的存儲和數據的傳遞速度卻一直不能同步。各個產業的商業體系也日益復雜化。由于數據結構的復雜性，使得數據結構、存取方式、形式各異的數據來源越來越多，使得數據的采集具有更高的異構兼容性。同時，隨著資料來源的增多，數據的處理方式也越來越復雜，數據的處理也越來越困難。為此，在工信部《“十四五”大數據產業發展規劃》中，明確提出了要打造一條穩定、高效的產業鏈，在數據產生和采集方面，重點加強對數據源的兼容性、大規模數據集收集和處理的能力。在此背景下，加強對數據資源的開發與利用，不僅為技術、產業、安全、法律等帶來了新的機遇，同時也帶來了新的挑戰。

4.3 大數據收集的安全性和隱私權要求不斷提高

近幾年，國內對大數據安全和隱私權的需求不斷增長，一方面反映了數據時代新的國家安全危機；另一方面也反映了國家對公民數據安全的關注，隨著大量的個體數據收集和數據交易的迅速發展，公民數據的安全受到了極大的威脅，《數據安全法》就是對此做出的反應。同時，在智能防護中，傳統的數據保護技術難以有效地解決大數據的智能化分類、智能識別、智能學習、智能定位等問題。因此，基于對大數據安全的硬性需求，中國信息通信研究院從技術角度出發，構建了大數據平臺安全、數據安全、隱私3 個層次的大數據安全技術體系。這也就意味著在保障個人信息安全的過程中，如何正確處理好信息流通和保障個人信息安全的關系，并且在大數據發展和個人信息保護中找到一個平衡點，已成為當前技術的重要突破口。

5.結語

無線數據采集技術的迅速發展給地球物理勘探帶來了許多新的思路和方法，為今后進一步開展奠定堅實的理論基礎和廣闊的創新空間。同時，在 EPS 作業中，相關的新技術、新方法也在不斷地被開發和運用，并顯示出了很大的發展趨勢。而且，隨著無線數據采集技術的革新，采集儀器的精確度不斷提高，面波探測技術也將成為電力設備維護的重要手段，為工程探測提供重要的電力介質信息，助推國內無線數據采集技術的應用范圍，提高信號的處理效率，為后續的電力施工提供重要的數據支撐。