基于ZigBee技術(shù)的自動(dòng)化儀表在油田中的應(yīng)用分析

許欽云

（大慶油田設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163000）

油田中有流量計(jì)、溫感計(jì)和壓力表多種儀表設(shè)備，上述儀表的安全運(yùn)行決定油田生產(chǎn)效率以及使用效益。因?yàn)橛吞锷a(chǎn)期間作業(yè)環(huán)境較為惡劣，因此，結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)出自動(dòng)化運(yùn)行儀表，能夠提高油田生產(chǎn)效率，并且保證儀表數(shù)據(jù)高度精準(zhǔn)。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，各類新技術(shù)和產(chǎn)品逐漸推廣，Zigbee技術(shù)屬于新型通信技術(shù)，其應(yīng)用在油田的儀表中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，屬于油田當(dāng)中儀表自動(dòng)化系統(tǒng)常用的無(wú)線通信技術(shù)。

1 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

Zigbee技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等類似，屬于常見的短距離的無(wú)線傳輸類型技術(shù)，能夠結(jié)合特定場(chǎng)景傳輸需求，完成無(wú)線傳輸。還可以結(jié)合傳輸速度、消耗電量以及傳輸速度等需求，靈活應(yīng)用。綜合對(duì)比，Wi-Fi技術(shù)在安全性方面尚未完善，而藍(lán)牙技術(shù)使用環(huán)節(jié)，需要復(fù)雜的協(xié)議，并且傳輸?shù)乃俣认鄬?duì)較慢，還需消耗較為復(fù)雜的芯片成本，傳輸距離可能受到限制。使用Zigbee技術(shù)能夠利用IEEE802.15.4準(zhǔn)則，完成無(wú)線通信，結(jié)合應(yīng)用環(huán)節(jié)輸出功率以及傳輸環(huán)境需求，綜合確認(rèn)傳輸距離。

Zigbee技術(shù)應(yīng)用過程，處于10～70m的傳輸距離內(nèi)，擁有良好的傳輸效果，能夠適合多頻段傳輸。如2.4GHz頻段、915MHz頻段、868MHz頻段，傳輸速率最高可達(dá)250kb/s。同時(shí)，Zigbee技術(shù)應(yīng)用過程，具有較高的安全性，通信環(huán)節(jié)時(shí)延較短，能夠靈活組網(wǎng)，可高度兼容，功率損耗較低，且施工成本低。因其具備上述優(yōu)勢(shì)，大量應(yīng)用在遠(yuǎn)程控制以及自動(dòng)化控制等領(lǐng)域當(dāng)中。Zigbee技術(shù)能夠應(yīng)用在高度復(fù)雜的環(huán)境，并且便于攜帶與固定。在油井上，能夠一步完成數(shù)據(jù)采集設(shè)備的布線，因此，可以在一定程度上將施工成本和工期縮短。設(shè)備使用過程，相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，系統(tǒng)運(yùn)行高度穩(wěn)定，安全性也有所提升。油田儀表的數(shù)據(jù)流量相對(duì)較小，并且實(shí)時(shí)性相對(duì)較低，所以，Zigbee技術(shù)在油田自動(dòng)儀表當(dāng)中較為適用。

2 Zigbee技術(shù)在自動(dòng)化儀表中的應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與結(jié)構(gòu)

Zigbee技術(shù)屬于一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠按照低速率的控制網(wǎng)絡(luò)展開設(shè)計(jì)。共有兩種形式，分別為Zigbee聯(lián)盟與IEEE802.15.4協(xié)議。使用IEEE802.15.4協(xié)議作為MAC層和物理層，使用Zigbee聯(lián)盟作為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層等。

Zigbee接口的物理層當(dāng)中，共有3個(gè)工頻，其中，2.4GHz頻段上有16個(gè)信道，最高傳輸速率能夠達(dá)到250kb/s；在915MHz頻段中，共有10個(gè)信道，最高傳輸速率可達(dá)40kb/s；在868MHz頻段上，有1個(gè)信道，最高傳輸速率可達(dá)20kb/s。但是，在實(shí)踐應(yīng)用階段，可能受到數(shù)據(jù)包損耗和響應(yīng)延遲等影響，導(dǎo)致速率難以達(dá)到上限。使用簡(jiǎn)易、靈活的方式，設(shè)置MAC層協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和低功耗等優(yōu)勢(shì)。Zigbee協(xié)議的應(yīng)用，能夠適合多種邏輯的鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，還支持MAC層的IEEE802.15.4相關(guān)服務(wù)。除此之外，Zigbee協(xié)議還能借助CSMA/CA信道以及握手協(xié)議等接入方式，使得信道接入傳輸數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和可靠。

利用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使用Zigbee技術(shù)，能夠?qū)AC層上方協(xié)議確定下來，組成部分包括網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層。在應(yīng)用層中，能夠輔助設(shè)備完成業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)與業(yè)務(wù)匯聚等數(shù)據(jù)流操作；通過安全層，能夠捕捉節(jié)點(diǎn)信息，防止終端設(shè)備出現(xiàn)信息泄露的問題；在網(wǎng)絡(luò)層中，主要利用Adhoc技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)低功率和低成本的傳輸。

2.2 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

在Zigbee技術(shù)應(yīng)用過程，需要開發(fā)出完整的平臺(tái)，使用MCU+RF硬件，MCU控制模塊使用MSP430F1611作為系統(tǒng)模板，并利用Zigbee收發(fā)模塊作為CC2420模塊，并使用過SPI模式通信。

2.3 設(shè)計(jì)控制模塊

（1）MSP430芯片設(shè)計(jì)。油田中，自動(dòng)化儀表組成部分包括供電線路、Zigbee通信電路、主控器、傳感器以及顯示電路等。其中，主控器主要是借助傳感器，將儀表信息進(jìn)行采集，并通過顯示器呈現(xiàn)出來，利用Zigbee發(fā)射電路進(jìn)行發(fā)射。油田的自動(dòng)化儀表，均需通過傳感器完成信號(hào)采集，并通過簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換，利用顯示器顯示出來。之后，再通過Zigbee電路進(jìn)行發(fā)射。在此過程中，無(wú)須經(jīng)歷較為復(fù)雜數(shù)據(jù)計(jì)算，只需選擇適合的微控制器，即能達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？蛇x擇MSP430系列單片機(jī)，采用16位精簡(jiǎn)的指令架構(gòu)，并具備低功消耗特性，可以滿足電池的供電需求，具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，穩(wěn)定性也較強(qiáng)，可應(yīng)用在工業(yè)儀表的設(shè)計(jì)中。

由于處理器主頻存在高低差異，可直接影響功率消耗，并且二者之間成正比，因此，為控制功耗，可將芯片工頻降低。選擇MSP430單片機(jī)，能夠?qū)r(shí)鐘系統(tǒng)靈活配置，并且對(duì)于不同部分時(shí)鐘實(shí)施分別控制，并對(duì)芯片之內(nèi)不同部件工頻靈活調(diào)節(jié)，最終對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)化調(diào)節(jié)。處理數(shù)據(jù)時(shí)，能夠?qū)?duì)應(yīng)時(shí)鐘開啟，并將工作頻率提高，確保任務(wù)的實(shí)時(shí)性。并在芯片空閑時(shí)，將部分時(shí)鐘關(guān)閉，進(jìn)而將芯片功耗有效降低。

（2）CC2420芯片設(shè)計(jì)。利用CC2420芯片，完成Zigbee電路設(shè)計(jì)。由于此類芯片具有高度的集成化特點(diǎn)，因此，射頻電路中需要的元件相對(duì)較少。使用內(nèi)置電源展開電源電路管理，需要將供電電壓控制在2.1～3.6V。如果借助外部電源展開電路管理，只需保持供電電壓處于1.6～2.0V即可。電路采取“雙休眠”這一模式，相互切換需要消耗的功率損耗較小。

針對(duì)大部分的應(yīng)用來講，芯片處于休眠的狀態(tài)，能夠降低功耗，并且適用于電池供電。使用過程，如果將穩(wěn)壓器關(guān)閉，則典型的消耗電流0.02μA；在空閑模式下，能夠消耗426μA電流；處于發(fā)送模式下，可消耗電流17.4mA；處于接收模式下，消耗電流18.8mA。

2.4 通信測(cè)試

利用Zigbee通信的油田自動(dòng)化儀表，傳輸字節(jié)數(shù)量可借助幀格式進(jìn)行確認(rèn)。在數(shù)據(jù)包中，有n+17個(gè)字節(jié)，在其中選擇n個(gè)值，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)傳輸超過1000次，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包的數(shù)量增加1，即可對(duì)接收數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步校驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)后，如果發(fā)現(xiàn)和發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)量相符，則正確數(shù)能夠增加1，相反，則錯(cuò)誤數(shù)可增加1，之后展開統(tǒng)計(jì)，能夠計(jì)算出誤包率以及丟包率。

當(dāng)傳輸距離為10m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包999個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包1個(gè)，丟包率為0.000，誤包率為0.001；當(dāng)傳輸距離為20m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包996個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包3個(gè)，丟包率為0.001，誤包率為0.003；當(dāng)傳輸距離為30m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包993個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包5個(gè)，丟包率為0.002，誤包率為0.005；當(dāng)傳輸距離為40m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包987個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包8個(gè)，丟包率為0.005，誤包率為0.008；當(dāng)傳輸距離為50m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包981個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包10個(gè)，丟包率為0.009，誤包率為0.011；當(dāng)傳輸距離為60m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包979個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包12個(gè)，丟包率為0.009，誤包率為0.012；當(dāng)傳輸距離為70m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包973個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包15個(gè)，丟包率為0.012，誤包率為0.015；當(dāng)傳輸距離為80m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包945個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包31個(gè)，丟包率為0.024，誤包率為0.031；當(dāng)傳輸距離為90m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包905個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包46個(gè)，丟包率為0.049，誤包率為0.046；當(dāng)傳輸距離為100m時(shí)，可接收正確數(shù)據(jù)包832個(gè)，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包116個(gè)，丟包率為0.052，誤包率為0.116。

通過上述分析，可以看出，當(dāng)傳輸距離越大，字節(jié)越多時(shí)，使用ZigBee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的丟包率、誤包率等也不斷增加。并且當(dāng)傳輸距離在10～70m時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率相對(duì)較高。但是，超過70m以后，準(zhǔn)確率降低?？梢?，ZigBee技術(shù)適合應(yīng)用在近距離傳輸。

此外，為保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，還可以通過降低發(fā)射速率、縮短實(shí)時(shí)通信距離以及避讓障礙物等方式，滿足油田儀表傳輸需求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

油田管理環(huán)節(jié)，需要使用各類自動(dòng)化儀表，利用ZigBee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀表的自動(dòng)化控制，結(jié)合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，分析ZigBee協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并建立控制模塊，滿足油田儀表的自動(dòng)化控制需求。