油田多功能ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟開(kāi)元，王露瑤，曹慶年

(西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065)

油田多功能ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟開(kāi)元，王露瑤，曹慶年

(西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065)

為解決現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和監(jiān)測(cè)過(guò)程中的通信不兼容和通信困難及實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)無(wú)線設(shè)備與人機(jī)端無(wú)線遙控聯(lián)接，設(shè)計(jì)了一種ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器通過(guò)無(wú)線天線接收井場(chǎng)的ZigBee信號(hào)，采用SP3232EA芯片進(jìn)行電路電平的轉(zhuǎn)換，將ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS232信號(hào),最后通過(guò)型號(hào)為XBee-PRO ZB的無(wú)線射頻模塊和USR-WiFi232-B的WiFi轉(zhuǎn)串口模塊完成多種信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換和通信。使PC、平板電腦等能夠通過(guò)無(wú)線和有線兩種通信方式對(duì)井場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行信息采集，并將控制命令轉(zhuǎn)換成ZigBee信號(hào)反饋給井場(chǎng)設(shè)備。

數(shù)字化油田；無(wú)線傳輸；信號(hào)轉(zhuǎn)換器；ZigBee；WiFi

數(shù)字油田的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)和企業(yè)管理過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化和可視化[1]。抽油機(jī)控制系統(tǒng)和各類儀表為油田的生產(chǎn)帶來(lái)了極大的便利，為油田實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制提供了基礎(chǔ)[2]。通過(guò)有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，鋪設(shè)電纜成本高，電纜容易老化、損壞，且后期維護(hù)成本高。為了解決上述問(wèn)題，油井遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)大多采用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee技術(shù)以其低功率、低成本、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)被廣泛接受[3-4]。

隨著ZigBee技術(shù)在油田的應(yīng)用，同樣也帶來(lái)了新的技術(shù)問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和調(diào)試時(shí)，技術(shù)人員必須采用串口線連接RTU或儀表，ZigBee信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接通信。本文ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器提供一種ZigBee轉(zhuǎn)WiFi網(wǎng)關(guān),包括ZigBee模塊、WiFi模塊和電源模塊，各模塊之間通過(guò)串口連接。可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接收Z(yǔ)igBee信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)或通過(guò)RS232接口輸出，同時(shí)將WiFi終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)該網(wǎng)關(guān)直接發(fā)送給ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備并反饋到井場(chǎng)，為油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和監(jiān)測(cè)帶來(lái)了極大的便利。

1 轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和模塊組成

1.1 應(yīng)用多功能轉(zhuǎn)換器的油田無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)

多功能轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)的無(wú)線儀表、無(wú)線RTU與計(jì)算機(jī)設(shè)備的通信。通過(guò)將無(wú)線設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)系統(tǒng)，并且把上位機(jī)反饋的命令發(fā)回?zé)o線設(shè)備，方便油田現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和監(jiān)測(cè)工作，應(yīng)用多功能ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器油田無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 ZigBee多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成

ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器以SP3232EA芯片為核心集成無(wú)線模塊，可完成多種通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，主要包括ZigBee、WiFi、RS232等。轉(zhuǎn)換器擁有外接無(wú)線天線，可以分別接收WiFi信號(hào)和ZigBee無(wú)線信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)ZigBee信號(hào)、WiFi信號(hào)與RS232信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。該轉(zhuǎn)換器自身具備電源，電源具備充電功能。其組成如圖2所示。

該電路采用+3.3V電源輸入，主要由電源、電壓轉(zhuǎn)換模塊、串口連接電路、WiFi電路、ZigBee電路和無(wú)線收發(fā)模塊組成，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。

圖1 應(yīng)用多功能轉(zhuǎn)換器的油田無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)圖

圖2 ZigBee多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成

1.2.1 ZigBee模塊 該設(shè)計(jì)選用美國(guó)DIGI公司的遠(yuǎn)距離低功耗數(shù)傳模塊，型號(hào)為XBee-PRO ZB的嵌入式表貼無(wú)線射頻模塊提供了ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的高性價(jià)比無(wú)線連接，頻段有2.4 GHz、900 MHz、868 MHz 3種，同時(shí)可兼容802.15.4協(xié)議。模塊的配置方式有2種，分別是AP和ATI命令。無(wú)線射頻通訊速率為250 kbit/s，戶外/無(wú)線射頻可視通訊距離為3 200 m。

1.2.2 WiFi模塊 該設(shè)計(jì)選用型號(hào)為USR-WiFi232-B的WiFi轉(zhuǎn)串口模塊(無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)802.11 b/g/n)，可實(shí)現(xiàn)串口到WiFi數(shù)據(jù)包的雙向透明轉(zhuǎn)發(fā)，在模塊內(nèi)部完成協(xié)議轉(zhuǎn)換。選用外置天線版本，其通訊距離為400 m。支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議，支持無(wú)線工作在AP模式和節(jié)點(diǎn)模式。

2 多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換流程

多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee信號(hào)與WiFi信號(hào)和RS232信號(hào)三者之間的相互轉(zhuǎn)換，用于將井場(chǎng)的無(wú)線儀表和RTU發(fā)出的ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換成個(gè)人計(jì)算機(jī)或平板電腦設(shè)備可接收的WiFi信號(hào)和RS232信號(hào)，并將其反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成無(wú)線儀表和RTU可接收的ZigBee信號(hào)。多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換器工作流程如圖4所示。

圖3 充電電路原理圖

圖4 多功能信號(hào)轉(zhuǎn)換流程圖

2.1 ZigBee與RS232之間相互轉(zhuǎn)換

ZigBee模塊與串口間的數(shù)據(jù)通信可通過(guò)串口連接電路實(shí)現(xiàn)。選用標(biāo)準(zhǔn)DB9母頭(孔型)串口配置操作簡(jiǎn)單，可方便后期的調(diào)試工作。由于終端設(shè)備所定義的高低電平信號(hào)與RS-232標(biāo)準(zhǔn)定義的信號(hào)完全不同，因此使用SP3232EA芯片進(jìn)行電路電平的轉(zhuǎn)換[5]。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)經(jīng)TXD管腳發(fā)送至芯片，經(jīng)處理將EIA/TIA-232電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL邏輯輸出電平，再通過(guò)ZigBee模塊無(wú)線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)過(guò)程與發(fā)送數(shù)據(jù)相反，ZigBee模塊先接收到UART數(shù)據(jù)信號(hào),然后經(jīng)RS232串口連接電路將TTL邏輯電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA-232標(biāo)準(zhǔn)電平，再通過(guò)串口向上位機(jī)輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。

串口連接電路通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)RS232信號(hào)、ZigBee無(wú)線信號(hào)及WiFi信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)其功能的切換。

2.2 WiFi與RS232之間相互轉(zhuǎn)換

WiFi模塊將接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成UART數(shù)據(jù),并與WiFi電路的TXD管腳和RXD管腳相連接。經(jīng)SP3232驅(qū)動(dòng)器可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)解析處理,并可調(diào)節(jié)串口發(fā)送的波特率[6]。處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)SP3232芯片轉(zhuǎn)換成RS232信號(hào)傳送出去。同樣，RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為WiFi信號(hào)通過(guò)上述逆過(guò)程即可實(shí)現(xiàn)。

2.3 ZigBee與WiFi之間轉(zhuǎn)換

ZigBee與WiFi之間的轉(zhuǎn)換直接利用SP3232芯片實(shí)現(xiàn)，將ZigBee轉(zhuǎn)換RS232信號(hào)再進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成WiFi信號(hào)，反之逆向完成WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)換成ZigBee信號(hào)。最終實(shí)現(xiàn)ZigBee信號(hào)與WiFi信號(hào)的互通與轉(zhuǎn)換。

3 應(yīng) 用

該多功能轉(zhuǎn)換器在大港、青海油田等多處進(jìn)行了測(cè)試和應(yīng)用，通信效果較為滿意。據(jù)統(tǒng)計(jì)，共有20多套設(shè)備在上述兩油田進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了在100多個(gè)井場(chǎng)的多次使用，可準(zhǔn)確在PC或平板電腦上顯示出功圖采集信息并存儲(chǔ)功圖數(shù)據(jù)，滿足用戶基本需求。在調(diào)試過(guò)程中，避免了人機(jī)接觸，減少了用串口線連接電腦的繁瑣環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線修改參數(shù)和下載軟件，縮短了調(diào)試工作時(shí)間，提高了工作效率和操作安全性。在應(yīng)用中，多功能轉(zhuǎn)換器避免了在井場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的相互有線連接，通信方便快捷且較為可靠。

具體測(cè)試效果如下:

(1)通信距離：在無(wú)障礙物遮擋情況下最大傳輸距離可達(dá)40 m。

(2)傳輸速率：在ZigBee協(xié)議下傳輸速率可達(dá)200 kbit/s，在WiFi 802.11b標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下最大傳輸速率為10 Mbit/s。

(3)轉(zhuǎn)換器可在無(wú)外接電源情況下正常工作12 h。

4 結(jié)束語(yǔ)

油田多功能ZigBee信號(hào)轉(zhuǎn)換器通過(guò)天線接收無(wú)線信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)ZigBee信號(hào)與WiFi、RS232信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，有效地將井場(chǎng)無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC、平板電腦等可用的無(wú)線和有線信號(hào)，方便地連接了井場(chǎng)儀表、井口裝置以及抽油機(jī)控制器。其自身具備電源，可實(shí)現(xiàn)在井場(chǎng)范圍內(nèi)的設(shè)備遠(yuǎn)距離連接，為設(shè)備的調(diào)試和監(jiān)測(cè)帶來(lái)了極大便利，提高了工作效率。同時(shí)也避免了近距離的人機(jī)接觸，確保安全生產(chǎn)。但無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換WiFi信號(hào)同時(shí)給系統(tǒng)安全帶來(lái)了新的要求，并且受電路和電池性能的影響，信號(hào)轉(zhuǎn)換器的使用穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步優(yōu)化，以便更好地為油田生產(chǎn)服務(wù)。

[1] 許代紅，藍(lán)永乾.運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化油田生產(chǎn)運(yùn)行綜合管理平臺(tái)[J].通信管理與技術(shù)，2011(3):32-35. XU Dai-hong,LAN Yong-qian.Using internet of things technology to constructure a integrated management platform for producing digital oilfield[J].Communications Management and Technology,2011(3):32-35.

[2] 王雅薈，楊雷鵬，范蟠果.基于ZigBee技術(shù)的油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013,21(2):374-376. WANG Ya-hui,YANG Lei-peng,FAN Pan-guo.Design ofoilfield remote monitoring system based on ZigBee technology[J].Computer Measurement & Control,2013,21(2)：374-376.

[3] LEE Jin-shyan，SU Yu-wei，SHEN Chung-chou.A comparative study of wireless protocols:bluetooth，UWB，ZigBee and Wi-Fi[C].The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON)，2007:46-51.

[4] Nick Baker.ZigBee andbluetooth strengths and weaknesses for industrial application[J].Computing & Control Engineering Journal，2005(16):20-25.

[5] 邵永剛.橋梁無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)ZigBee-WiFi轉(zhuǎn)換器研制[D].西安：西安科技大學(xué)，2011：15-16.

[6] 孫剛，劉煒，景振興.礦用多功能WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011,12(12):74-75. SUN Gang,LIU Wei,JING Zhen-xing.Design ofmine-used multi-function WiFi signal converter[J].Industry and Mine Automation,2011,12(12)：74-75.

責(zé)任編輯：張新寶

2014-09-01

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目“無(wú)線短程網(wǎng)在油田應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與理論研究”(編號(hào)：CXY1121(2))

孟開(kāi)元(1968-)，男，碩士，副教授，主要從事嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究。E-mail:kymeng@126.com

1673-064X(2015)02-0107-04

TE938；TP212

A