低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)在海上油田應(yīng)用淺析

顏斌

摘 要 LoRa是低功耗廣域物無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（LPWAN），主要應(yīng)用于大型無線傳感網(wǎng)絡(luò)。本文首先針對目前LPWAN物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的NB-IoT與LoRa的技術(shù)特點進(jìn)行分析。結(jié)合海上油田生產(chǎn)中的助航設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控場景，探討基于LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)的部署架構(gòu)、無線傳感器設(shè)計、通信協(xié)議與數(shù)據(jù)服務(wù)軟件的及時要點。本文最后總結(jié)了LoRa技術(shù)在油氣田生產(chǎn)和設(shè)備管理領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng);LPWAN;LoRa;NB-IoT;海上助航設(shè)備

引言

物聯(lián)網(wǎng)，“Internet of things（IoT）”，被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。國內(nèi)石油行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也有深入的研究與應(yīng)用，中國石油的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)（A11）與中國石化開展的生產(chǎn)信息化項目都廣泛使用了大量的物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。本文通過總結(jié)海上油田助航設(shè)備監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)試驗，探討LPWAN在油田生產(chǎn)領(lǐng)域的適用性、應(yīng)用方式和需要解決的問題，并展望了未來的應(yīng)用前景。

1LPWAN技術(shù)分析

物聯(lián)網(wǎng)的主要目標(biāo)是通過通信技術(shù)將人與物，物與物進(jìn)行連接。在工業(yè)數(shù)據(jù)采集、智能家居等區(qū)域網(wǎng)通信場景一般采用短距離通信技術(shù)，但對于廣范圍、遠(yuǎn)距離的連接則需要遠(yuǎn)距離通信技術(shù)。LPWAN技術(shù)正是為滿足物聯(lián)網(wǎng)需求應(yīng)運而生的遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)。

LPWAN專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計。目前LPWAN可分為兩類：一類是工作于免授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù);另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。當(dāng)前LPWAN公認(rèn)的最有應(yīng)用前景的兩個代表技術(shù)分別為NB-IoT和LoRa。

基于LoRa通信技術(shù)的成本優(yōu)勢、免授權(quán)帶寬、自主部署通訊基站等特點，勝利海上油田于2017年在海上助航設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的技術(shù)試驗[1]。

2LPWAN在海上助航設(shè)備監(jiān)控應(yīng)用

2.1 海上生產(chǎn)場景

海上助航設(shè)備狀態(tài)采集具有如下特點：

（1）航標(biāo)燈等助航設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量小、低速傳輸。助航設(shè)備只有蓄電池電壓、供電電壓、燈的光強等幾個狀態(tài)值，數(shù)據(jù)采集的時間間隔可以在5分鐘甚至30分鐘。

（2）助航設(shè)備安裝在金屬結(jié)構(gòu)平臺上，金屬結(jié)構(gòu)及海水對無線信號有屏蔽及衰減作用。ZigBee、WIFI等短距離無線通信技術(shù)，無法實現(xiàn)一個平臺內(nèi)的信號傳輸。

（3）平臺分布范圍廣，且大部分為無人值守平臺。部分助航設(shè)備現(xiàn)場沒有電力供應(yīng)，航標(biāo)燈依靠太陽能電池供電，要求監(jiān)控設(shè)備功耗低。

（4）大部分海域無電信運營商網(wǎng)絡(luò)信號，有人駐守的平臺有油田局域網(wǎng)。部分助航設(shè)備距離最近有網(wǎng)絡(luò)的平臺5公里之內(nèi)。

2.2 LoRaWan網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在綜合考量對比分析之后，海上助航設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用了功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離更遠(yuǎn)的LoRa技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸。

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按照LoRaWAN推薦的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括終端、基站、NS（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器）、應(yīng)用服務(wù)器這四個部分?；竞徒K端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由于LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。終端節(jié)點可以同時發(fā)給多個基站?；緞t對NS和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理，將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP的以太網(wǎng)上。傳感器采集狀態(tài)數(shù)據(jù)后通過LoRa模組與LoRa網(wǎng)關(guān)通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。LoRa網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)上傳至LoRaWAN。

2.3 通信協(xié)議與服務(wù)軟件

（1）通信協(xié)議

無線終端傳感器與LoRa網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議主要有數(shù)據(jù)透傳和LoRaWAN協(xié)議兩種。由于助航設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測只監(jiān)測、無控制，該系統(tǒng)中采用了LoRa數(shù)據(jù)透傳方式。

（2）數(shù)據(jù)解析

LoRa數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)綄崟r數(shù)據(jù)接收服務(wù)器進(jìn)行解析和存儲。服務(wù)器采用多線程高并發(fā)技術(shù)實現(xiàn)，單臺服務(wù)器能夠支持5萬個傳感器的數(shù)據(jù)處理。

（3）數(shù)據(jù)存儲與服務(wù)

數(shù)據(jù)存儲使用MongoDB數(shù)據(jù)庫，這種NoSQL數(shù)據(jù)庫的存儲和訪問效率高，適合實時數(shù)據(jù)高效存取的需求，同時又提供較為豐富的查詢方式，在必要的場景下也容易實施高可用集群。

系統(tǒng)以Restful API的方式對外提供數(shù)據(jù)訪問接口服務(wù)，能夠獲取各個傳感器的實時和歷史數(shù)據(jù)。

2.4 現(xiàn)場試驗與應(yīng)用情況

還是助航設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)完成后，從2018年2月在海上平臺部署試運行。同時監(jiān)測航標(biāo)燈、信號燈、霧笛設(shè)備的狀態(tài)信息。經(jīng)過近10個月的應(yīng)用試驗，基于LoRa技術(shù)具有如下特點：

（1）LoRa無線信號繞射能力強。系統(tǒng)采用室內(nèi)型LoRa網(wǎng)關(guān)，安裝在平臺的中控機房，平臺甲板上的助航設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠有效傳輸，無線信號可以有效穿透多層金屬結(jié)構(gòu)。

（2）有效傳輸距離遠(yuǎn)。利用信號監(jiān)測裝置，室內(nèi)型LoRa網(wǎng)關(guān)的周邊進(jìn)行信號強度驗證，有效傳輸距離1～2公里。室外型LoRa網(wǎng)關(guān)，采用室外天線，傳輸距離達(dá)到5～7公里。

（3）數(shù)據(jù)采集解析穩(wěn)定。為了驗證數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆€(wěn)定性，試驗過程中將每個無線終端采集間隔設(shè)置為30秒。經(jīng)過長達(dá)5個月的驗證，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，丟包率不超過0.1%。

（4）終端傳感器功耗低。無線終端傳感器的供電采用助航設(shè)備的蓄電池供電，待機功耗2mAh，信號發(fā)送功耗185mAh。在30秒采集傳輸一次數(shù)據(jù)的情況下，航標(biāo)燈太陽能電池可以在無光纖不充電的模式下，供航標(biāo)燈、終端傳感器連續(xù)工作96小時以上。

3結(jié)束語

LoRa是物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸?shù)囊环N新技術(shù)，其工作在1GHz以下的免授權(quán)頻段，繞射能力強、低功耗、抗干擾，鏈路預(yù)算高達(dá)160dBm，適用于物聯(lián)網(wǎng)低速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場景。系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低，能極大地滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測的需求。LoRa的透明傳輸方式可以作為局部區(qū)域的無線接入或無線骨干網(wǎng)的覆蓋延伸技術(shù)，具有較高的推廣應(yīng)用價值。隨著LoRaWAN協(xié)議的成熟商用，LoRa技術(shù)一定會智能油氣田建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張彬，王志鵬，馬慶.NB-IoT部署方案及關(guān)鍵問題分析[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2017，（6）：72-75.