基于LoRa的多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)

岳林 梅大成 陳亞萍

摘要：LoRa（LongRange）是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網無線傳輸技術，具有長距離，低功耗，速率低等特點，應用在石油領域的場景具有良好的效果。針對多油氣井環(huán)境復雜，數據難采集且油氣井分散，缺乏對數據集中管理的問題，設計了一種基于LoRa的多油氣井的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LoRaWAN協議進行數據傳輸，并能將各個油氣井的傳感數據采集并上傳至云端，以實現多油氣井的智能化管理。

關鍵詞：LoRa;監(jiān)控系統(tǒng);LoRawWAN;油氣井智能化

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0264-03

1概述

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，在石油領域里，各個油氣井的數據復雜，數據難以采集且油氣井分散，缺乏對數據集中管理。為解決多塊油氣井上數據難以采集，布線困難，數據繁多等問題，本文設計了一種基于LoRa的多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)。

LoRa作為低功耗廣域網的典型技術具有以下特點：超長距離的傳輸，功耗低，數據量小，網絡容量大等。LoRa采用線性擴頻調制技術，高達157 dB的鏈路預算使其通信距離可達15 km以上（與環(huán)境有關），空曠地方甚至更遠。相比其他廣域低功耗物聯網技術，LoRa終端節(jié)點在相同的發(fā)射功率下可與網關或集中器通信更長距離。LoRa網絡工作在非授權的ISM頻段，前期的基礎建設和運營成本很低。

2系統(tǒng)總體架構

在該系統(tǒng)中，主要由若干傳感器、若干LoRa節(jié)點、若干Lo-Ra網關組成。根據LoRa特性，整個系統(tǒng)的網絡拓撲采用星型網絡。傳感器、節(jié)點和網關的數量根據油氣井的數量來確定，油氣井上的數據通過LoRa節(jié)點的傳感器采集，再經過LoRa節(jié)點的射頻模塊發(fā)送給LoRa網關，通過網關將數據上傳至監(jiān)控軟件。如圖1為多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構。

3硬件結構設計

在硬件的設計中，主要是以節(jié)點的設計為中心。對于節(jié)點傳輸來說，既要滿足數據的及時上報，也要滿足節(jié)點的低功耗。圖2為硬件節(jié)點設計架構。

射頻模塊采用的是Semtech公司開發(fā)的SXl276模塊。SXl276射頻模塊實現了-148dBm以上的靈敏度。高靈敏度與集成的+20dBm功率放大器相結合，產生了業(yè)界領先的鏈路預算，使SX1276射頻模塊成為需要范圍或耐用性的任何應用場景的最佳選擇。

整個節(jié)點的硬件部分主要由，傳感器模塊，SWD燒寫模塊，GPIO口，LED模塊，SPI接口，電源組成。主控芯片STM32L0系列芯片與SXl276射頻模塊間的通信通過SPI實現。傳感器與主控芯片間通過12C或者SPI進行通信。傳感數據先通過傳感器經過MCU的簡單處理后，將數據傳給SXl276的射頻模塊，通過射頻前端LoRa的擴頻調制技術將傳感數據發(fā)射到網關。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1軟件協議

LoRaWAN是LoRa聯盟針對LoRa終端低功耗和網絡設備兼容性定義的標準化規(guī)范，主要包含網絡的通訊協議和系統(tǒng)架構。LoRaWAN的標準化保證了不同模塊、終端、網關之間的互操作性，物聯網方案提供商和電信運營商可以加速部署。

相比其他有線或無線物聯網解決方案，基于LoRaWAN傳輸技術的油氣井物聯網具有如下優(yōu)勢：

（1）網絡拓撲為星形組網，維護費用低;

（2）組網的成本低;

（3）功耗很低，節(jié)點可用電池供電;

（4）傳輸距離遠;

（5）ISM非授權頻段，適合油氣井專屬的網絡建設;

（6）端到端加密，確保用戶數據的傳輸安全性;

（7）數據分發(fā)接口多，支持WebSocket和HTTPS等協議。

LoRaWAN協議定義了三類節(jié)點，這樣做的好處是，用戶可以根據應用場景、節(jié)能需求和喚醒時延，靈活地選擇最佳的種類。而且協議允許節(jié)點在運行中根據需要，進行A類和B類的切換。三類節(jié)點的優(yōu)缺點比較如表1所示。

在正式收發(fā)數據之前，節(jié)點都必須先加網。節(jié)點有兩種加網方式：

（1）空中激活方式（OTAA，Over-the-Air Activation）

（2）獨立激活方式（ABP，Activation by Personalization）

LoRaWAN網絡采用OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備DevEUI、AppEUI、AppKey這三個參數。節(jié)點在發(fā)起加網請求流程后，發(fā)出加網命令，網絡服務器確認無誤后會給節(jié)點返回加網回復，分配網絡地址DevAddr，雙方利用加網回復中的相關信息以及AppKey，產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數據進行加密和校驗。圖3為OTAA激活流程。

LoRaWAN網絡數據傳輸速率范圍為0.3 kbps至37.5 kb-ps，為了最大化終端設備電池壽命和整個網絡容量，Lo-RaWAN網絡服務器通過一種速率自適應（ADR）方案來控制數據傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出。

4.2監(jiān)控管理軟件

在監(jiān)控管理軟件的設計中，首先對監(jiān)控軟件進行需求分析。首先對監(jiān)控管理軟件進行功能劃分，主要的功能是可以對各個油氣井的狀態(tài)信息進行可重復的查詢，對于不同的油氣井要實現多線程同步的查詢，其次的功能可以根據傳感數據來進行系統(tǒng)報警。根據監(jiān)控軟件的需求分析，所要實現的功能為：

（1）多油氣井狀態(tài)查詢;

（2）傳感數據的監(jiān)控;

（3）傳感器數據的報警。

圖4為多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)的主界面。

在對一個油氣井查詢后，對傳感數據的監(jiān)控主要是通過對傳感數據的顯示，每1秒對傳感數據進行更新，使監(jiān)控人員能夠更加方便直觀的通過當前的傳感數據對油氣井的狀態(tài)進行分析與預測。圖5為傳感數據的監(jiān)控界面。

在傳感數據的監(jiān)控和報警界面設定傳感器的報警上下限的數據范圍。當接收到的數據大于上限或者小于下限時，對該傳感器節(jié)點的狀態(tài)顏色改變來達到報警的效果。圖6為壓力傳感器節(jié)點的報警圖。

5結論

本文設計的基于LoRa的多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)主要負責采油井、注氣井、勘探井等多個種類油氣井的壓力、溫度、流量等傳感數據的采集和監(jiān)控，在數據復雜且多樣的情況下通過此系統(tǒng)能夠有效地提高數據采集速度和油氣井管理效率。由此可見，LoRa技術對石油工業(yè)自動化領域有廣闊的發(fā)展前景。