井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱勇智+鄧魁+張超豪+楊兵祥+胡思洋+朱思萌

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川 成都 610500）

摘 要：根據(jù)無(wú)線通信技術(shù)低功耗、低成本和動(dòng)態(tài)性的優(yōu)點(diǎn)，研究基于無(wú)線傳感網(wǎng)的井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止井下事故的發(fā)生。系統(tǒng)的硬件由終端、路由器、協(xié)調(diào)器、上位機(jī)四部分組成，主要針對(duì)井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控困難、環(huán)境復(fù)雜、事故易發(fā)的情況。該系統(tǒng)軟件的基本思想是：先初始化系統(tǒng)，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。該系統(tǒng)采用無(wú)線ZigBee技術(shù)作為傳輸方式，同時(shí)結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)，對(duì)上位機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，同時(shí)抗干擾能力較強(qiáng)且可以應(yīng)用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)；無(wú)線通信技術(shù)；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

項(xiàng)目資助：本研究受油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（No. YQXF201602），2016國(guó)家級(jí)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 （項(xiàng)目號(hào)：201610615030）資助。

1引言

隨著能源危機(jī)的到來(lái)，對(duì)石油資源的長(zhǎng)期、安全、高效開采，已成為大家研究的話題。井場(chǎng)環(huán)境條件惡劣，危險(xiǎn)性高，需要監(jiān)控參數(shù)多。由于對(duì)相關(guān)參數(shù)的控制不及時(shí)而造成的一些或大或小的事故，造成這些事故的原因除了所處地質(zhì)的本身?xiàng)l件外，很多時(shí)候都是由于對(duì)采油參數(shù)的控制不及時(shí)而造成的。進(jìn)入21世紀(jì)，他們不僅使用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)對(duì)井場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且在鉆井技術(shù)方面也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。但是在井場(chǎng)環(huán)境中有線方式在一些應(yīng)用中存在一定局限性，如需經(jīng)過(guò)強(qiáng)腐蝕地段等。因此無(wú)線通信技術(shù)得到高度重視。無(wú)線通信技術(shù)具有低功耗、低成本和動(dòng)態(tài)性等優(yōu)點(diǎn)[1]。它們能夠很好的應(yīng)用到環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)，因此，研究基于無(wú)線傳感網(wǎng)的井場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的作用和意義。

2 井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)采用固定端采集模式，分為終端、路由器、協(xié)調(diào)器、上位機(jī)四部分。在網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)分布在井場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)地方，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性以及實(shí)際井場(chǎng)的面積，計(jì)算出總共需要多少個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。[2]這些傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)井場(chǎng)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度以及各種有害氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。當(dāng)協(xié)調(diào)器上電時(shí)，開始對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立，然后通過(guò)ZigBee的方式與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線連接。系統(tǒng)組成如圖1所示：

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)針對(duì)的是井場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，井場(chǎng)環(huán)境一般較惡劣，需要采集的環(huán)境參數(shù)包括可燃?xì)怏w（甲烷）、溫濕度、光強(qiáng)、有毒氣體硫化氫以及煙霧等等。在該設(shè)計(jì)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控芯片采用CC2530，它能很好地適應(yīng)井場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。除此之外，網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具有傳感器模塊、射頻模塊、電源模塊、通信串口以及天線等來(lái)滿足整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信功能[3]。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、光電傳感器和硫化氫傳感器。傳感器與CC2530芯片都集成在同一塊PCB板子上。通信串口使用RS232。

2.2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)研究的井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要是對(duì)井場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)測(cè)，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)的傳感器電路。傳感器模塊主要包括MQ-2型氣體傳感器、溫濕度傳感器SHT11、CH4傳感器、光電傳感器和硫化氫傳感器。

2.2.3 串口通信電路

本設(shè)計(jì)的串口通信采用串行通信。這種通信方式可以節(jié)約通信成本，但是傳輸速度比并行慢。串口通信電路就是為了使協(xié)調(diào)器與上位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

2.2.4 其他電路

天線線路使通訊信號(hào)能從一節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至另一節(jié)點(diǎn)；電源轉(zhuǎn)換電路使9V直流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成5V直流電壓與3.3V直流電壓。

3 井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)端軟件設(shè)計(jì)框架

單片機(jī)端軟件的基本思想是：首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)上電復(fù)位初始化，然后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，該A/D轉(zhuǎn)換器是利用CC2530的外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，利用相應(yīng)的傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)送給CC2530進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，最后利用CC2530的RF收發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，然后另外的CC2530進(jìn)行接收。

3.2 上位機(jī)端軟件設(shè)計(jì)框架

計(jì)算機(jī)端軟件就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線接收，然后通過(guò)串口助手對(duì)其進(jìn)行顯示，再利用上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存、報(bào)警等功能。

3.3 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

在該設(shè)計(jì)中，利用的是LabVIEW來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該界面包括用戶登陸界面，串口配置界面，數(shù)據(jù)與波形顯示界面，同時(shí)還具有數(shù)據(jù)保存功能。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1 模塊測(cè)試

（1）數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)試

由于實(shí)驗(yàn)限制，本設(shè)計(jì)在測(cè)試的時(shí)候僅僅只選用了溫濕度傳感器SHT11和光電傳感器。

（2）通信模塊測(cè)試

利用兩塊CC2530模板，一個(gè)下載終端節(jié)點(diǎn)程序，一個(gè)下載協(xié)調(diào)器程序，并將協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通過(guò)串口線連接。給協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)上電，觀察兩個(gè)模塊LED顯示情況以及串口助手顯示情況。通過(guò)模塊測(cè)試，系統(tǒng)能夠正常工作運(yùn)行。

4.2 整體測(cè)試

此時(shí)點(diǎn)擊文件路徑處，選擇文件保存的位置，當(dāng)停止運(yùn)行時(shí)，可以查看歷史數(shù)據(jù)。該圖顯示每隔1秒采集一次參數(shù)，且節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的參數(shù)能夠很直觀的顯示，通過(guò)對(duì)歷史參數(shù)的保存，就能對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)故障。

4.3環(huán)境實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，利用它在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行了測(cè)試。我們先完成終端、協(xié)調(diào)器與路由器的程序下載。之后，我們布置各終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、路由器。再對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，上位機(jī)采用電腦進(jìn)行代替。隨即，我們進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集。

測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)敉猸h(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定的值時(shí)，LabVIEW界面相應(yīng)的位置就會(huì)進(jìn)行報(bào)警。

5結(jié)論

本文介紹的基于ZigBee技術(shù)的井場(chǎng)環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用無(wú)線ZigBee技術(shù)作為傳輸方式，同時(shí)結(jié)合了虛擬儀器技術(shù)，對(duì)上位機(jī)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該套系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，同時(shí)抗干擾能力較強(qiáng)。不僅如此，本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于多種戶外環(huán)境參數(shù)的采集與監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳方華.基于ZigBee的煤礦井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[D].安徽理工大學(xué)，2009.6：6-8.

[2]董朋濤.基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及可靠性研究[D].華中師范大學(xué)，2013.5：31-38.

[3]劉策，閔新力，薛君志，柴廷英.基于無(wú)線傳感器的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2015.32（1）：2-6.