基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井監(jiān)控系統(tǒng)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井監(jiān)控系統(tǒng)

劉 甜 張少軒

保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)不僅對(duì)油井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)具有更加持續(xù)的傳輸能力，并且維修起來也相對(duì)容易。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件電路分為數(shù)據(jù)采集、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)控中心電路等，軟件主要由無線通信網(wǎng)絡(luò)軟件的子系統(tǒng)與監(jiān)控中心管理軟件的子系統(tǒng)組成。這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在ZigBee協(xié)議基礎(chǔ)上建立，遵守GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹行膬?nèi)容，由現(xiàn)場采集、路由、網(wǎng)關(guān)三部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器采集節(jié)點(diǎn)的靈活與MESH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定應(yīng)用保證了油井監(jiān)控的可信賴性，有助于油井作業(yè)效率的提高和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本的降低，促進(jìn)了油田生產(chǎn)的自動(dòng)化與信息化發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的油井監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不斷變化的數(shù)據(jù)，將信息通過有線電纜連接至控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理。由于不同油田的油井工作場景和所處環(huán)境不同，特別是油井周邊的惡劣條件，即便企業(yè)投入大量成本，也難以順利進(jìn)行電纜鋪設(shè)，并且靈活性基本為零；移動(dòng)基站的造價(jià)與移動(dòng)性也會(huì)受到地形限制，降低了油田的生產(chǎn)監(jiān)控效率，在后期維護(hù)工作中也相對(duì)困難。隨著ZigBee技術(shù)的發(fā)展，有望改變目前的現(xiàn)狀，其低成本、高傳輸效率的優(yōu)勢使其能夠適應(yīng)各種環(huán)境的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸[1]?；赯igBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)不僅對(duì)油井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)具有更加持續(xù)的傳輸能力，并且維修起來也相對(duì)容易。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是單個(gè)油井或多油井間進(jìn)行信息交流和數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊绞剑绕溥m用于我國克拉瑪依油田這樣惡劣環(huán)境的油井監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理及總體架構(gòu)

新型無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不再基于GPRS或CDMA進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送，而是以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建全新的傳輸網(wǎng)絡(luò)。這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在ZigBee協(xié)議基礎(chǔ)上建立，遵守GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹行膬?nèi)容，由現(xiàn)場采集、路由、網(wǎng)關(guān)三部分節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

抽油機(jī)井設(shè)備上的現(xiàn)場采集節(jié)點(diǎn)通常能夠自由靈活設(shè)置，主要對(duì)抽油機(jī)井工作時(shí)的電機(jī)電流、功率值、井口壓力、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集[2-3]。每個(gè)油井得到的檢測數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整理，最后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)以幀傳輸模式將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)需要組成動(dòng)態(tài)組，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)起到節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)作用。在無線網(wǎng)絡(luò)中架設(shè)Mesh網(wǎng)絡(luò)，可以將這些路由節(jié)點(diǎn)互相連接起來，讓監(jiān)測數(shù)據(jù)可以達(dá)到多重處理的目的。一般監(jiān)控系統(tǒng)搜集到數(shù)據(jù)后，匯總到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼后，匯總到遠(yuǎn)程控制中心。當(dāng)控制中心接收到編碼后的數(shù)據(jù)，會(huì)將其由RS232接口上傳到主監(jiān)控室的中心PC機(jī)上。之后PC機(jī)進(jìn)行快速整理分析，對(duì)處理結(jié)果立即反饋，使現(xiàn)場接收到反饋信息后能做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。這種全新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以提高油井監(jiān)控的遠(yuǎn)程控制效率，達(dá)到自動(dòng)性、實(shí)時(shí)性目標(biāo)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件電路分為數(shù)據(jù)采集、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)控中心電路等[4]幾部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集和路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

抽油機(jī)設(shè)備上放置的是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)，這是采集油井實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)備，及時(shí)對(duì)上級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)輸送。數(shù)據(jù)采集和路由節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、無線通信模塊、處理器模塊和供電模塊組成。

運(yùn)用該模塊時(shí)要根據(jù)現(xiàn)場需求來選擇適合的傳感器，對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)分別進(jìn)行檢測，通過傳感器節(jié)點(diǎn)的定時(shí)喚醒功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并以路由節(jié)點(diǎn)為載體發(fā)送信息，完成之后進(jìn)入休眠以節(jié)約資源。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

作為整體網(wǎng)絡(luò)的控制核心，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同需求布置在GPRS通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的區(qū)域內(nèi)，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)送，在校正、融合后進(jìn)入監(jiān)控中心。監(jiān)控中心發(fā)出的指令同樣需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理和執(zhí)行。

一般此模塊的串口電路使用的是西門子GPRS模塊MC55，此設(shè)備內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，設(shè)計(jì)難度較低，而微處理數(shù)據(jù)的能力卻大大提升，使執(zhí)行遠(yuǎn)程任務(wù)傳輸效率得到提高。串口電路為標(biāo)準(zhǔn)串口，可直接連接，同時(shí)在每個(gè)引腳電路上都串接一個(gè)100 Ω的電阻，讓它們的串口電平相符。JN5139模塊與MC55模塊通過引腳DIO11相連，當(dāng)數(shù)據(jù)送達(dá)時(shí)會(huì)通知MCU，即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生的中斷信號(hào)。作為MC55模塊的驅(qū)動(dòng)裝置，IGT在實(shí)現(xiàn)引腳模塊功能時(shí)候需要的供電電壓要高于3.3 V，MC55模塊通電10 ms后，IGT的引腳電平應(yīng)大于100 ms，隨后向高阻態(tài)轉(zhuǎn)變，GPRS模塊也隨之開始工作。

西門子的MC55模塊預(yù)留了6個(gè)SIM卡接口引腳，比GSM11.11預(yù)留引腳多加了CCIN引腳，能夠?qū)υ诳ㄗ械腟IM卡牢固程度進(jìn)行檢測。并且，MC55模塊在SYNC輸出引腳中以三極管來作為發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)，能夠讓LED燈進(jìn)行工作狀態(tài)的判定。

2.3 監(jiān)控中心電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心電路的創(chuàng)新之處在于應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)RS232接口與電平變換芯片MAX3238C。標(biāo)準(zhǔn)RS232接口有效連接了MC55模塊與數(shù)據(jù)中心PC機(jī)，為監(jiān)控中心的PC機(jī)上傳數(shù)據(jù)；MC55模塊的串口邏輯電壓是+2.65 V，相符于PC串口電平，轉(zhuǎn)換時(shí)使用電平變換芯片MAX 3238 C可以起到轉(zhuǎn)換電壓的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要由無線通信網(wǎng)絡(luò)軟件的子系統(tǒng)和監(jiān)控中心管理軟件的子系統(tǒng)組成[5]。

3.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)軟件

無線通信網(wǎng)絡(luò)的軟件子系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集和整理，同時(shí)需要通過ZigBee和TCP/ IP協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而使數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)完整的遠(yuǎn)程傳輸。一般系統(tǒng)使用的是Jennie公司編寫的Code-Bloeks軟件。

首先，在硬件設(shè)備中供電，完成交流電向直流電之間的轉(zhuǎn)換（交流電的交變模式通常以正弦或余弦進(jìn)行），在完成直流電交變后，整流器即完成傳輸電流信號(hào)的交變流程。接著，ZigBee模塊進(jìn)行初始化過程，完成設(shè)備運(yùn)行時(shí)開機(jī)流程，其中包括軟件平臺(tái)程序的運(yùn)行，語言中樞代碼的傳輸以及數(shù)據(jù)處理后臺(tái)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

值得注意的是，硬件上電要先經(jīng)過初始化Zig-Bee模塊，在協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)中選PANID來作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，由此建立路由表和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將其他節(jié)點(diǎn)加入其中。完成ZigBee模塊初始化后啟動(dòng)GPRS模塊，使用AT指令發(fā)送數(shù)據(jù)，并規(guī)定一個(gè)串口通信速率，同時(shí)建立Socket連接，做好數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)備。在GPRS模塊初始化后，進(jìn)行監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的接入，外面的事件會(huì)出現(xiàn)發(fā)送中斷現(xiàn)象，系統(tǒng)可以通過判斷響應(yīng)的類型，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)行為。

3.2 監(jiān)控中心管理軟件

監(jiān)控中心軟件執(zhí)行工作是接收與發(fā)送基于TCP協(xié)議的IP數(shù)據(jù)包，目的為了在GPRS終端實(shí)現(xiàn)IP協(xié)議的信息流通。軟件方面需要Visual C++6.0內(nèi)置的Casyncsocket字庫支持，以便對(duì)IP地址和PC機(jī)等名進(jìn)行由繁至簡的轉(zhuǎn)換，使操作能夠更加順暢地進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)Socket編程通信的目標(biāo)。另外，此字庫軟件需要控件MSComm的支持，將串行通信變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。所有的數(shù)據(jù)在采集成功后可用Access 2000軟件進(jìn)行存儲(chǔ)，方便對(duì)抽油機(jī)的日常運(yùn)行分析工作與用戶數(shù)據(jù)搜索。

4 結(jié)語

基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)油井監(jiān)控系統(tǒng)具有跨時(shí)代的意義，抽油機(jī)中數(shù)據(jù)監(jiān)控采集與GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合，使遠(yuǎn)程無線監(jiān)控和傳輸進(jìn)入到了全新的時(shí)代，這是一個(gè)里程碑式的技術(shù)改革。傳感器采集節(jié)點(diǎn)的靈活與MESH網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定應(yīng)用保證了油井監(jiān)控的可信賴性，有助于油井作業(yè)效率的提高和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本的降低，促進(jìn)了油田生產(chǎn)的自動(dòng)化與信息化發(fā)展。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居、水文檢測、環(huán)境衛(wèi)生等領(lǐng)域也具有較大的應(yīng)用空間，因此值得在未來進(jìn)行更大范圍的推廣。

[1]盧瑞祥，牟軒沁，紀(jì)震，等．新型智能油井監(jiān)控系統(tǒng)[J]．石油儀器，1997，11（6）：15-17.

[2]劉林．基于無線傳感器網(wǎng)路的油井監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]．濟(jì)南：山東大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

[3]L．C．Zhong，J．Rabaey，C．L．Guo，et a1．Data 1 ink layer des infor wireless sensor networks． Communications for Network-Centric Operations，Creating the Information Force[J]．2001，13（7）：32-35.

[4]任豐原，黃海寧，林闖．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]．軟件學(xué)報(bào)，2003，14（7）：12-13.

[5]張乃祿，姚萱萱，李選鋒，等．基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程注水監(jiān)控系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2011，30（12）：61-63.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.042