井场参数无线自动采集系统

呼伦贝尔学院物理与电子信息学院

井场参数无线自动采集系统

丽娜呼伦贝尔学院物理与电子信息学院

在了解RFID技术的基础上，构建基于RFID的井场参数无线自动采集系统模型，同时设计无线传感器网络中的硬件电路、传感器接口电路，实现与控制器之间的连接，监测井场数据信息，最后利用C#编程系统监控软件，实现井场参数采集系统的可视化管理。在搭建软、硬件实验平台的基础上，进行井场参数无线自动采集系统的调试和综合测试。通过调试和测试可知，此系统运行良好，实现了所要求的设计功能以及数据的采集和传输，并将结果显示在人机界面上。

RFID；无线传感器；通信协议；井场

目前井场数据传输存在的问题包括数据传输速率低、有线数据传输费用高和缺乏终端数据控制系统。无线通信技术迅猛发展，成本低、可靠性高、数据传输速度快，可达到有限网络数据传输的标准。目前，短距离无线通信技术比较发达，例如蓝牙、Zigbee和UWB技术，特别是RFID技术的发展，有效地解决了有线数据采集与传输的弊端，为无线网络数据采集提供便利。利用基于无线射频技术的无线传感器网络实现井场数据的实时采集与传输，可解决有线数据传输的问题，为井场数据管理提供了便利。

1 无线传感器网络设计

射频识别技术（RFID）是20世纪80年代发展起来的一种新兴自动识别技术，是一项利用射频信号，通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术[1]。RFID技术可快速扫描，体积小型化、形状多样化、抗污染能力强、可重复使用，数据的记忆容量大。RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术。射频识别系统与其他识别系统相比，读取方便快捷，识别速度快，数据容量大，使用寿命长且应用范围广，拥有更好的安全性和动态实时通信的优势。

在大范围应用有线网络的基础上，以组网灵活和搭建方便著称的无线传感器网络技术[2]数据传输方向性强，网络可靠且应用多样化。基于RFID技术的无线传感器网络可实现一定范围的数据采集和传输，拥有高移动性、扩展能力强、组网速度快、成本低，受自然环境和地形影响小的优点。

基于RFID技术的井场参数无线自动采集系统选用星型的网络拓扑结构，网络结构可变，数据处理复杂，需要优选拥有容错能力和维护路径功能的网络通信协议，进行MAC层协议的设计。MAC层协议[3]的选择直接影响无线传感器网络的性能指标，在设计MAC层协议时需要解决隐藏暴露终端、公平接入、QOS保障和功率控制的问题，进行避免冲突、差错控制算法和通道接入方式的设计。在了解层次式分簇路由协议的基础上，优选LEACH协议，但是LEACH协议存在能量消耗均衡化的弊端，在考虑能量消耗和传输效率基础上，改进LEACH协议以满足设计的要求。

在了解RFID技术的基础上，构建基于RFID的井场参数无线自动采集系统模型，同时设计无线传感器网络中的硬件电路、传感器接口电路，实现与控制器之间的连接，监测井场数据信息，最后利用C#编程系统监控软件，实现井场参数采集系统的可视化管理。在硬件系统的设计过程中优选STC12LE5616AD微处理器，具有A/D转换和低功耗的功能。无线射频芯片是硬件设计中的关键部分，影响系统的开发成本和数据传输的准确度等指标，要具有兼容性强、低功耗和接口简单的优点。

nRF905无线射频收发一体芯片符合设计要求，所以选用nRF905实现数据信息的传输。nRF905接口模式主要有状态输出接口、SPI接口和模式控制接口三种。系统软件的主要功能是在人机界面上实现中心节点数据的采集和处理，利用C#语言编写软件，在界面上呈现所采集的井场参数，进行实时监测。

2 系统综合测试与现场应用

在搭建软硬件实验平台的基础上，进行井场参数无线自动采集系统的调试和综合测试。通过调试和测试可知，此系统运行良好，实现了所要求的设计功能，以及数据的采集和传输，并将结果显示在人机界面上。该系统在长庆油田某井场进行现场应用，效果良好，减轻了现场工作人员的工作量，提高了工作效率，实现了井场与控制中心的有效连接，加快了油田数字化建设的步伐。

3 结语

在了解无线传感网络原理的基础上，构造无线采集系统网络模型。为了减少数据冲突，采用退避算法和握手机制相结合的退避方式；优选层次式分簇路由协议中的LEACH协议，满足井场参数无线自动采集设计的要求。在硬件设计部分采用STC12LE5616AD单片机与nRF905为核心部件，利用C#编制相对应的监控软件，完成系统软、硬件设计，实现系统测试和数据处理功能。该系统可以实现井场参数的实时采集和传输，利用界面功能分类显示所采集的数据。经过系统综合测试和油田井场应用可知，测试效果良好，能实现数据实时采集与传输，满足设计初衷，可在油田大范围推广。

[1]杨宁，田耀，张平，等．无线传感器网络拓扑结构研究[J]．无线电工程，2006，36（2）：11-14.

[2]于海斌，曾鹏．智能无线传感器网络系统[M]．北京：科学出版社，2006.

[3]斯托林斯．无线传感器网络[M]．北京：清华大学出版社，2005.

（栏目主持 关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.047