鉆井井場測控系統(tǒng)的ZigBee模塊低功耗設(shè)計(jì)

姜亞竹，蔡 萍

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030)

0 引言

隨鉆測井儀器[1]LWD(Logging While Drilling)是石油鉆探工程中的關(guān)鍵設(shè)備，其用途是在鉆井過程中一邊鉆進(jìn)一邊測量地層巖石的物理參數(shù)，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)供鉆井人員及時(shí)調(diào)整鉆頭軌跡，使之沿著目標(biāo)油層方向鉆進(jìn)。鉆井井場測控系統(tǒng)[2]是隨鉆測井儀器的重要輔助系統(tǒng)，包含有泥漿壓力傳感器、鉤載傳感器、絞車傳感器[3]、司鉆顯示器以及數(shù)據(jù)處理PC等。主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井過程中的泥漿循環(huán)壓力，測井儀器鉆頭深度，以及獲取井下儀器傳輸?shù)降孛娴牡貙訁?shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)精確地實(shí)時(shí)地控制鉆頭的鉆進(jìn)軌跡。

早年間，井場測控系統(tǒng)中的傳感器與上位機(jī)之間通過幾十米甚至上百米的線纜連接，信號衰減厲害，因井場空間擁擠導(dǎo)致線纜易纏繞易損壞。后期引入了ZigBee無線通信技術(shù)，使系統(tǒng)的簡潔性和易用性大大提高。ZigBee是一種近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低速率和低成本的雙向無線通訊技術(shù)[4]，應(yīng)用范圍很廣。相比其它無線通信技術(shù)，它的優(yōu)勢在于功耗要比Bluetooth和Wi-Fi低一個(gè)數(shù)量級，傳輸距離要比RFID、IrDA和UWB高出幾十倍。

ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備均采用電池供電，由于要求小型化和輕便化，所以不可能備有太大的電池容量，然而一般每口油井的鉆進(jìn)周期[5]往往持續(xù)數(shù)個(gè)星期，極大地考驗(yàn)著電池的續(xù)航能力，為了盡可能地延長各ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作時(shí)間，針對其低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)展開研究，就顯得很有意義和應(yīng)用價(jià)值。

對于鉆井井場無線測控系統(tǒng)，ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備是其最基本的組成單元，它的構(gòu)成主要是井場上的各種傳感器(或鉆采顯示設(shè)備)，ZigBee無線傳輸模塊和電源模塊(集成MCU)等三部分，如圖1所示。隨著IC工藝的不斷進(jìn)步，傳感器芯片和處理器芯片的功耗已經(jīng)做得很低，在ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備中，絕大部分功率消耗在發(fā)射無線信號過程中，占比達(dá)60%以上。因此對發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化控制可以實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)目的。

圖1 ZigBee無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的組成

1 ZigBee模塊發(fā)射功率參數(shù)研究

為了能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整ZigBee無線模塊的發(fā)射功率，必須對發(fā)射功率的調(diào)整參數(shù)進(jìn)行研究。大部分ZigBee廠商都會(huì)提供一個(gè)模塊參數(shù)PL(Power Level)來供用戶調(diào)整其發(fā)射功率，但手冊中并不提供具體參數(shù)對應(yīng)的具體發(fā)射功率等信息，因?yàn)椴淮嬖趪?yán)格的數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系，受實(shí)際使用條件影響較大，用戶需根據(jù)自身不同需求自行探究。

該鉆井井場無線測控系統(tǒng)中具體采用DIGI公司的ZigBee模塊，具體型號為XBeeS2C Pro，其最大發(fā)射功率為63mW，發(fā)射電流為120 mA@+3.3 V，接收電流31 mA。S2C模塊中提供的參數(shù)PL有5個(gè)等級供用戶調(diào)整其發(fā)射功率，分為為PL=0(+10 dBm)，PL=1(+12 dBm)，PL=2(+14 dBm)，PL=3(+16 dBm)，PL=4(+18 dBm)。

默認(rèn)情況下，ZigBee模塊工作在最大發(fā)射功率狀態(tài)，系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)調(diào)整，因此不利于節(jié)能。實(shí)際上，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離比較近時(shí)，較小的發(fā)射功率就可以滿足通信要求。若距離不固定，可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整ZigBee的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)綜合能耗最低。但這需要對模塊功率等級PL值對信號強(qiáng)度RSSI[6 ]的影響規(guī)律有充分的了解。

為此，通過設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)測試S2C Pro模塊不同功率等級PL對接收信號強(qiáng)度的影響規(guī)律。設(shè)定4種節(jié)點(diǎn)距離，由近及遠(yuǎn)分別為1 m，5 m，10 m和20 m，由終端設(shè)備(End Device)向協(xié)調(diào)器(Coordinator)發(fā)送數(shù)據(jù)，依次設(shè)定End Device的PL值為0,1,2,3,4，Coordinator的PL值固定為4。分別測試Coordinator接收到的End Device發(fā)射的信號強(qiáng)度RSSI，在固定距離下其隨PL值的變化曲線如圖2所示。

圖2 ZigBee RSSI隨PL值的變化曲線

從圖2可以清晰看出：信號強(qiáng)度RSSI值與功率等級PL呈現(xiàn)非線性正相關(guān)規(guī)律，隨著PL值增加而增大。當(dāng)PL=0增加到PL=1時(shí)，信號強(qiáng)度增大幅度比較大，但當(dāng)PL=1依次增加到PL=4過程中，RSSI增大較緩慢，明顯與PL變化不成比例。一種原因可能是模塊內(nèi)部功率控制只是模糊控制，并非嚴(yán)格按數(shù)學(xué)關(guān)系控制；另一種原因可能是特定條件下，一味增加發(fā)射功率并不能大幅地有效增大信號強(qiáng)度，有其它相關(guān)因素限制了信號強(qiáng)度。

根據(jù)PL=0,1,2,3,4對RSSI的影響規(guī)律可以將ZigBee模塊發(fā)射功率動(dòng)態(tài)調(diào)整等級選定為三檔：PL=0，PL=1和PL=4，而不是PL=0, 1, 2, 3, 4五檔，一個(gè)原因是檔位太多，控制起來比較復(fù)雜，不實(shí)用，另一個(gè)原因是PL=1到PL=4的影響趨勢緩慢，沒必要再選擇中間的PL=2和PL=3。動(dòng)態(tài)控制策略中選取此三檔功率等級作為控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需要進(jìn)行切換。

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，除了功率等級PL值對信號強(qiáng)度RSSI產(chǎn)生影響外，節(jié)點(diǎn)距離的變化同樣動(dòng)態(tài)地影響著信號強(qiáng)度RSSI。明顯地，節(jié)點(diǎn)距離近，信號強(qiáng)，在滿足通信質(zhì)量的前提下可以適當(dāng)降低發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)降低功耗。接下來研究RSSI與距離的影響規(guī)律。

2 ZigBee信號強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)距離的關(guān)系研究

2.1 信號強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)距離關(guān)系的理論模型

一般來說，在無線信號傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)距離與信號強(qiáng)度RSSI之間的影響關(guān)系，可以用如下的理論模型進(jìn)行闡述。

通常，RSSI等價(jià)于被測量的功率，即信號強(qiáng)度的平方。RSSI可以認(rèn)為是RF信號、超聲波或其它無線信號的強(qiáng)度指標(biāo)。RSSI測量不需要額外增加硬件，因?yàn)閹缀跛械臒o線模塊都內(nèi)置有RSSI參數(shù)，只需讀取即可。

無線信號的發(fā)射功率和接收功率之間的關(guān)系可以用式(1)表示[7]，PR是無線信號的接收功率，PT是無線信號的發(fā)射功率，S是收發(fā)單元之間的距離，n是傳播因子。

PR=PT/Sn

(1)

在公式(1)兩邊取對數(shù)可得到式(2)：

10·nlgS=10lg(PT/PR)

(2)

節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率是已知的，設(shè)A=10lgPT，將發(fā)射功率代入式(2)中可得式(3):

10lgPR=A-10·nlgS

(3)

式(3)的左半部分是接收信號功率轉(zhuǎn)換為dBm的表達(dá)式，即寫成PR(dBm)，用RSSI(接收信號強(qiáng)度)代替PR，可以將上式直接寫成式(4)[8]:

RSSI(dBm)=A-10·nlgS

(4)

在式(4)中A可以看作信號傳輸1 m遠(yuǎn)時(shí)接收信號的功率。系數(shù)A和n的數(shù)值決定了接收信號強(qiáng)度和信號傳輸距離的函數(shù)關(guān)系。

針對于系數(shù)A和n的求解，一種方法是通過測得任意兩組節(jié)點(diǎn)距離與RSSI對應(yīng)的數(shù)據(jù)，代入公式(4)求得系數(shù)A和n，為了計(jì)算方便一般選擇節(jié)點(diǎn)距離為1 m和10 m。選取的兩節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過多次測量提高準(zhǔn)確度。

另一種方法是通過大量實(shí)驗(yàn)，獲得一系列距離與RSSI對應(yīng)數(shù)據(jù)，然后通過Matlab曲線擬合出A值和n值。顯然通過擬合得出的系數(shù)，更能有效地降低單點(diǎn)數(shù)據(jù)測量帶來的誤差。

2.2 信號強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)距離關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線

試驗(yàn)中分別設(shè)置End Device的PL=0，PL=1，PL=4，測試三組信號強(qiáng)度RSSI隨節(jié)點(diǎn)距離變化的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 End Device的RSSI值隨節(jié)點(diǎn)距離的變化

借助于MATLAB繪制曲線如圖3，從圖中可以看出ZigBee模塊在PL=4，PL=1和PL=0時(shí)測得的RSSI隨距離變化曲線規(guī)律類似。近距離范圍內(nèi)(0.4～5 m)，信號強(qiáng)度RSSI隨節(jié)點(diǎn)距離衰減比較快，類似指數(shù)型衰減規(guī)律；而距離較遠(yuǎn)范圍內(nèi)(5 m以上)，信號強(qiáng)度RSSI隨距離衰減的比較緩慢。在遠(yuǎn)距離時(shí)的RSSI值波動(dòng)較大，增加了測量的不準(zhǔn)確性，宜加大測量的樣本量。信號在長距離傳輸中受到的綜合因素影響較大，如在室內(nèi)，則室內(nèi)的空間尺寸和墻壁的信號多次反射會(huì)對結(jié)果造成干擾；如在室外，則障礙物和天氣會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖3 End Device的RSSI值隨節(jié)點(diǎn)距離的變化

2.3 信號強(qiáng)度與節(jié)點(diǎn)距離關(guān)系的函數(shù)求解

根據(jù)理論公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取PL=4時(shí)的曲線進(jìn)行公式系數(shù)求解。實(shí)驗(yàn)測得節(jié)點(diǎn)距離1 m時(shí)的RSSI=-15 dBm和10 m時(shí)的RSSI=-31 dBm，代入公式(4)得方程組：

(5)

求解得系數(shù)，A=-15，n=-1.6，代入公式(4)得RSSI與節(jié)點(diǎn)距離的具體函數(shù)關(guān)系式(6)：

RSSI(dBm)=-16lgS-15

(6)

從式(6)可以看出節(jié)點(diǎn)距離1m和10m時(shí)測量的RSSI值的精度對公式系數(shù)影響很大。為了減小了測量誤差對系數(shù)的影響，用Matlab中p=polyfit(x,y,m)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以得到函數(shù)關(guān)系式(7)：

RSSI(dBm)=-16.1lgS-16.0

(7)

類似地也可以計(jì)算和擬合出PL=1和PL=0時(shí)函數(shù)關(guān)系式，綜合出計(jì)算公式(8):

RSSI(dBm)={-17lgS-19,PL=1

(8)

擬合公式(9):

RSSI(dBm)={-17.1lgS-20.9,PL=1

(9)

明顯關(guān)系式(9)比式(8)更準(zhǔn)確些。繪制實(shí)驗(yàn)曲線與擬合曲線對比圖4。

基于光伏與空調(diào)負(fù)荷協(xié)調(diào)優(yōu)化的有源配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)壓策略//王琦,方昊宸,竇曉波,陸斌,胡敏強(qiáng),包宇慶//(24):36

圖4 節(jié)點(diǎn)距離與RSSI的擬合曲線

由公式(5)和圖4可以得出如下結(jié)論：

1)對比公式和曲線，可以看出PL=0，PL=1和PL=4時(shí)，距離對RSSI的影響因子n差異很小，可認(rèn)為只有常數(shù)項(xiàng)不一樣，這些曲線可看作是某個(gè)曲線簇，PL值僅影響常數(shù)項(xiàng)。

2)通過測試獲得不同組發(fā)射功率下的距離與RSSI的曲線簇，當(dāng)距離已知時(shí)就可以從圖形中確定最低發(fā)射功率，當(dāng)能保證通信質(zhì)量的RSSI值時(shí)就可以從圖形中確定最遠(yuǎn)傳輸距離。

3)針對固定PL值，實(shí)驗(yàn)測得的RSSI與距離關(guān)系的擬合曲線是單調(diào)的，且與理論公式吻合很好，其應(yīng)用價(jià)值是可以利用RSSI來測距。

3 ZigBee模塊低功耗設(shè)計(jì)方案

3.1 ZigBee模塊低功耗控制策略

綜合前面的理論分析和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)論，可以知道接收信號強(qiáng)度RSSI受模塊發(fā)射功率等級PL和節(jié)點(diǎn)距離兩個(gè)參數(shù)所影響。功率等級PL值越大，節(jié)點(diǎn)距離越近，則信號強(qiáng)度RSSI越強(qiáng)。在給定的工作場所下，只要能保證通信質(zhì)量，不需要信號強(qiáng)度很強(qiáng)，否則只會(huì)增加功耗，而是應(yīng)該選擇合適的發(fā)射功率以實(shí)現(xiàn)綜合功耗最低，達(dá)到節(jié)能目的。

為此以節(jié)點(diǎn)距離和信號強(qiáng)度RSSI為自變量，以ZigBee模塊發(fā)射功率為因變量，制定出ZigBee發(fā)射功率的動(dòng)態(tài)控制策略，如下：

1)ZigBee模塊發(fā)射功率選用PL=0，PL=1和PL=4三檔控制，從低到高依次選擇。

2)如果ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備的距離在系統(tǒng)布局后是固定的，可以根據(jù)距離確定PL的選擇。距離小于5 m時(shí)則選用PL=0，距離介于5 m和20 m之間時(shí)選用PL=1，距離大于20 m時(shí)則選用PL=4。距離閾值5 m和20 m可以根據(jù)傳輸環(huán)境是否空曠或遮擋等因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增大或減小。

3)如果節(jié)點(diǎn)設(shè)備距離是未知的或動(dòng)態(tài)變化的，則通過RSSI值大小來確定PL的選擇，RSSI的閾值選擇-50 dBm，作為判斷信號的強(qiáng)弱界限。若PL設(shè)置為0，則要求RSSI>-50 dBm，若不滿足，則設(shè)定PL為1，并繼續(xù)判定RSSI>-50 dBm，若仍不滿足，則PL設(shè)置為4。RSSI閾值-50 dBm可以根據(jù)具體的傳輸環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增大或減小。

圖5為具體的控制流程圖。

圖5 ZigBee模塊發(fā)射功率控制流程圖

3.2 ZigBee模塊低功耗綜合實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述發(fā)射功率動(dòng)態(tài)控制策略的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)平臺，如圖6所示。Coordinator位置固定，End device與它的距離設(shè)定為5 m，15 m和25 m三個(gè)不同值，對應(yīng)圖中ABC位置。設(shè)定End Device做等時(shí)間間隔地循環(huán)移動(dòng)，在每個(gè)位置停留1 h，按ABC順序循環(huán)移動(dòng)，以模擬End Device距離Coordinator動(dòng)態(tài)變化過程。實(shí)際上如果距離能夠連續(xù)變化是最理想的，但受限于實(shí)驗(yàn)條件。Coordinator用穩(wěn)壓電源供電，End device用2節(jié)1.5 V干電池供電，直接連接ZigBee模塊的電源引腳。10分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)誤包率大于5%為判斷電量不足。測定消耗完固定電池電量下能夠持續(xù)工作的時(shí)間長短。

圖6 ZigBee低功耗實(shí)驗(yàn)平臺

采用兩組對比實(shí)驗(yàn)，原始組是ZigBee模塊發(fā)射功率恒定為PL=4，改進(jìn)組是發(fā)射功率采用動(dòng)態(tài)控制策略。兩組的ZigBee模塊都設(shè)置為周期睡眠引腳喚醒模式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，原始組可以連續(xù)工作137 h，改進(jìn)組可以連續(xù)工作163 h，時(shí)間延長約20%，由于位置ABC出現(xiàn)的次數(shù)差不多，所以是一種平均狀態(tài)，如果大部分時(shí)間的工作位置比較近，則工作時(shí)間延長可達(dá)20%以上，即低功耗更明顯。

在改進(jìn)組實(shí)驗(yàn)中，對于動(dòng)態(tài)控制策略而言，節(jié)點(diǎn)距離是動(dòng)態(tài)變化的。當(dāng)End Device位于近距離5m時(shí)，控制策略先設(shè)置發(fā)射功率等級為PL=0，測得RSSI約為-48 dBm，滿足強(qiáng)信號要求，則選用PL=0作為長時(shí)間工作。當(dāng)End Device移動(dòng)到距離15 m時(shí)，控制策略先設(shè)定PL=0測得RSSI約為-58 dBm，信號較弱，則將PL上調(diào)至1，再次測得RSSI約為-42 dBm，滿足強(qiáng)信號要求，故選定PL=1作為長時(shí)間工作。當(dāng)End Device移動(dòng)到距離25 m時(shí)，控制策略先設(shè)定PL=1時(shí)測得RSSI約為-62 dBm，信號很弱，即時(shí)上調(diào)PL至1，再次測得RSSI約為-45 dBm，滿足強(qiáng)信號要求，故選定PL=1作為長時(shí)間工作。然而遠(yuǎn)距離時(shí)RSSI所受影響因素較多，有時(shí)波動(dòng)較大，比如25 m時(shí)，有時(shí)在PL=1時(shí)可能測得RSSI<-50 dBm，則動(dòng)態(tài)控制策略會(huì)將PL再次提升為PL=4作為最終的長時(shí)間工作等級。以上即為動(dòng)態(tài)控制策略的運(yùn)行過程。

4 結(jié)束語

通過理論分析和一系列實(shí)驗(yàn)測試，成功制定出了基于接收信號強(qiáng)度RSSI和模塊節(jié)點(diǎn)距離這兩個(gè)參數(shù)(設(shè)定RSSI閾值-50 dBm和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)距離閾值5 m和20 m)來動(dòng)態(tài)調(diào)整ZigBee模塊的發(fā)射功率PL(設(shè)定為PL=0，PL=1和PL=4三檔)的策略，在對比實(shí)驗(yàn)中得到了較好地驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)ZigBee發(fā)射模塊可節(jié)省20%～25%的功耗。

值得注意的是，上述控制策略中的閾值是在空曠的大廠房中測定的，若是在戶外無遮擋的情況下，則相應(yīng)的閾值可以適當(dāng)調(diào)高，若通信條件較差，則閾值要調(diào)低。

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