基于无线传感器网络的油田钻井现场监测系统

谢真良，杨光友，李 达

（1湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068；2湖北工业大学农机工程研究设计院，湖北 武汉430068）

传统的钻井环境监测系统成本高，维护费用大，并且数据采集量相对较小。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种由传感器节点组成的网络［1］，可以实时感知、采集和监测节点部署区内目标的各类信息（如压力、流量、温度和有害气体浓度等物理参数），并将处理后的信息通过无线网络发送给观察者，有效解决了有线传输带来的弊端。在石油钻井过程中，需要实时监测井控参数并做好异常参数的监测、预警工作，以便及时发现溢流、井漏等意外情况，进而防止井喷发生［2］。为此构建一个无线传感网络，通过分布式结构采集数据并获取环境参数。由于无线传感器网络的传感器节点会在短时间内采集大量传感信息，监测人员如果直接查询和处理这些数据非常不便［3］。本文设计了一种面向油田钻井现场的无线传感器网络WEB监测系统，可以将钻井关键部位的信息实时地采集传输至各级监控中心，并能依据实际要求调节相关监测参数，实现多用户访问和管理。

1 油田钻井现场WEB监测系统

1.1 系统结构

为了管理传感器节点采集的各种环境数据，监测节点和整个网络的运行状态，并将这些数据转化为易于观察和查询的可视化信息，有必要建立合适的油田钻井 WSN监测系统［4－6］。同时，所开发的监测平台应满足以下功能。

1）汇聚整理WSN网络采集的初始数据。可以将传感器节点采集到的各种感知数据通过汇聚节点与RS-232连接的形式传送到现场基站，并对初始数据进行优化处理。

2）存储和管理数据功能。可以将感知的数据经处理后传输到远程数据服务器上分类存放，并能够实现历史数据查询。

3）实现远程的访问和控制。用户可以通过Internet实现对WSN实时状态的远程监测。

4）友好的人机交互界面以及良好的稳定性和可扩展性。通过人机交互界面，监测程序可实现显示传感器节点的感知信息、位置信息及工作状态等功能。在不同的应用背景下，需要处理不同的感知数据，能够根据实际的需要对传感器网络监测平台进行模块化扩展，而且需要保证系统稳定运行。

根据系统的功能需求分析，得出系统整体结构如图1所示。

整个系统可分为传感器网络、现场PC、数据服务器、客户端等四层结构，最底层为部署在各井场监测环境中的传感器节点和汇聚节点构成传感器网络，其中汇聚节点负责接收网络中所有节点的信息；而上层是与Internet相连的一台计算机构成的基站，它将传感器数据经过Internet传送到数据服务器进行集中存储处理；用户可以通过任何一台连到Internet上的计算机终端访问数据服务器，并可以向现场PC发送操作指令。

图1

1.2 硬件平台与软件环境

系统中的信号采集无线传感器节点，以及与PC机相连的传感器网络汇聚节点的核心芯片均采用TI公司的CC2530芯片。该芯片集成度高，体积小功耗低，抗干扰性强，灵敏度高。

系统软件开发主要基于MFC开发框架、ASP.NET AJAX技术和 SQL Server 2008数据库开发技术。现场监测客户端是采用QT/E开发的应用程序，用于实时数据的图形绘制和接收转发。远程监测端的系统架构采用典型的三层结构，即表现层、业务层和数据层［7］。使用 WEB控件、HTML标记和CSS等元素组成WEB客户端界面，以页面形式展现其系统功能。使用ASP.NET 4.0实现业务逻辑和数据访问并组成服务器层，ASP.NET AJAX则用于实现客户端与服务器的数据交换，而数据交换的形式可以采用XML格式或者文本格式。远程监测端的系统程序结构层次如图2所示。

图2 程序结构层次图

1.3 系统功能模块

1.3.1 系统安全模块 该模块完成管理员用户的身份验证，保证对监测系统访问操作安全合法。

1.3.2 数据管理模块 在远程监控系统中，数据库建立在数据服务器中，具备存储钻井参数、提供数据报表的查询和打印输出功能。现场的监测数据是数据库的数据来源，通过ZigBee无线节点组成的WSN网络，由汇聚节点将获得的实时数据发送到现场PC进行数据解析和处理，再经过Internet将有效数据存入数据库。数据库中采用单节点存储模式，即每个节点采集的数据作为一个独立的数据存储在数据库中，使用户能详细了解井场不同位置的环境参数，使得监测数据更加精准、详细。本系统使用SQL Server 2008数据库存储数据，设计了三种数据表:1）节点采集数据信息表用于存储监测区域中的传感信息；2）节点位置信息表用于存储当前WSN网络中传感器节点的类型、地理坐标、工作状态等信息；3）用户信息表用于存放用户名和密码信息，用来检验登录时输入的用户名和密码信息是否正确。各数据表的设计视图如表1－3所示。

表1 用户信息表

表2 节点位置信息表

表3 节点采集数据信息表

1.3.3 数据服务模块 本模块属于系统的业务层，主要提供系统逻辑运算和业务支持等服务。该模块一方面可以分析WEB客户端的服务请求类型，并根据服务请求类型，使用ADO.NET技术动态访问数据库获取信息进行处理，将处理后的结果以XML文件形式传回给客户端，响应客户端的服务请求。另一方面也通过创建线程，以主动定时查询方式将报警信息发送给客户端，告知用户无线传感器网络的现状，并依据实时状态作出相应的处理。

1.3.4 数据显示模块 该模块主要采用 WEB服务器控件和CSS样式表，向用户提供更加美观便捷的可视化操作界面。用户可以通过联网计算机浏览器实时访问监测系统，方便多用户访问和管理。

1.4 关键技术

1.4.1 基于异步Ajax技术的异步 WEB数据交互通过这种方法可以减少对服务器多余的请求和响应，有效降低服务器负担，同时也降低了带宽浪费率，使用户能够获得动态、快速响应、高交互性的体验［8］。

1.4.2 无线传感器网络的搭建 在油田井场内搭建无线传感网络，网络传感器的选择需要满足大范围、多节点、低成本、低功耗、具有自组织功能的特点。结合这些要求，最后确定选用ZigBee技术完成无线传感器网络的搭建［9］。

1.4.3 远程监测系统的信息交互 远程监测端需要获得现场设备的实时数据才能进行分析，进而产生决策，远程操作指令通过Internet网络传回给现场设备，现场设备再执行相应操作指令。其中，为了保证良好的实时性，远程WEB监测端与现场设备之间的通信选用基于TCP/IP协议的套接字通信方式，两层之间可通过现场PC机进行中转连接。又由于现场PC机可以通过串口通信直接与现场硬件设备进行交互，那么远程监测端便可直接向现场PC机发送操作指令，然后由其直接转发给现场硬件设备，最后将操作过程存储进数据服务器［10］。通过这样的实现方式，减少了整个通信过程中的时间延迟，提高了系统实时性。

2 系统应用

2.1 实验环境

测试环境区域长约100m，宽约80m，为半封闭式，地形为平地。无线节点在钻井现场中的分布情况如图3所示。图中，1号节点位于坐岗房顶部（节点离地面高度约为4m）；2和3号节点分别布置在2＃和3＃泥浆罐罐面上（这些节点离地面高度约为2.5m）；4号节点位于3＃泥浆罐的出口处（节点离地面高度约0.5m）；5号节点位于钻井平台上（节点离地面高度约为10m）；6号节点安放在泥浆出口的倾斜管线上（节点离地面高度约为7m）。

图3 井场节点平面分布图

节点1是汇聚节点，配备有GPS定位模块，且通过RS-232与PC机连接；节点2，6为路由节点，同时负责收集和转发周围节点以及自身的传感信息；节点3，4，5为终端节点，负责收集监测区域内的传感信息，其传感信息能够经过路由节点转发给汇聚节点，然后再经由现场PC机传到数据服务器中进行存储。图中虚线表示无线节点间的数据通信路线。由于采用了树状网络结构，两节点间的最远通信距离控制在15m以内，有效保证了无线信号的稳定性。

2.2 系统测试

系统各个功能模块通过测试后，由微软配套ASP.NET开发工具IIS 6.0发布网站。实测表明:系统的各个功能模块都能够正常运行，有较好的稳定性和友好的交互界面，而且系统的可扩展性强，这为丰富后续功能奠定了基础。

在坐岗工作室，现场监测客户端将所收集的监测信息进行转发存储，为钻井作业的远程监控提供了数据源。钻井作业时，各分布节点采集数据时的现场监测界面如图4所示。

图4 现场监测客户端界面

本系统是采用B/S模式构建的基于WEB的远程监测系统，为满足较高实时性要求，通过使用Ajax技术定时局部刷新，可实时显示最新的传感器数据。同时，在进行钻井作业工程分析时也需要远程监测端的数据库具有回溯历史数据的功能。通过指定起止日期来查询数据库，可以获得指定节点参数的历史数据。数据查询并绘制井口电机区域的温度曲线，实现了传感信息的图形化显示（图5）。

图5 节点数据曲线和节点数据查询

每个井场只需一个拥有GPS的节点，即可计算得到所有节点的GPS相对坐标。结合节点的井场位置分布，使用Baidu Map进行标注，那么在远程监控室就可方便地了解每一个井场的地理位置以及直观地查看当前井场的节点分布情况。图6是某一井场节点位置标注与信息显示。

通过添加“ASP.NET”文件夹Framework里的程序集“Office.dll”后，编写相应调用代码就可以实现指定数据报表的下载［10］，方便用户导出所需要的数据进行钻井过程分析。为了适应用户的各种监测需求，系统设计了参数设置模块，便于用户对钻井现场的重要监测参数进行调整，设置井场内无线传感器网络主要监测参数的阈值，针对性地监控环境，具有更好的适应性，同时为服务器端预警奠定基础。

图6 节点位置标注与信息显示

通过模拟紧急相关实验，测试了监测系统的有效性和可靠性。实验结果表明，该系统可以有效地监测井口的异常数据，及时发现故障与危险情况，所测得的监测数据能够满足实际应用的精度要求。

3 总结

本文针对油田钻井现场实际监测需求，设计并实现了无线传感器网络WEB监测。详细介绍了其架构与层次结构。通过运用Ajax等技术，解决了数据可视化中的动态性、实用性等问题，提供了无线传感器网络环境监测可视化的研究技术基础和实现方法。目前存在的主要问题是:井场环境复杂、链路变化频繁，导致连接失效、丢包率增加，其稳定性有待进一步优化。

［1］ 熊珺洁.无线传感器网络节能协议设计［D］.安徽:中国科学技术大学，2007.

［2］ 倪合合，涂汉雾，黄 兴，等.钻井工程监测报警系统在井场中的应用［J］.可编程控制器与工厂自动化，2009，1:91-94.

［3］ 杨 扬.基于无线传感器网络的环境监测系统设计［D］.浙江:浙江大学，2007.

［4］ 陆黄生.综合录井在钻井工程中的应用现状与发展思考［J］.石油钻探技术，2011，39（04）:1-6.

［5］ 李智鹏，许京国，尤 军，等.石油钻探物联网实时远程作业中心设计综述［J］.石油工业计算机应用，2014（02）:16-21.

［6］ 耿长剑.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现［D］.江苏:南京航空航天大学，2009.

［7］ 高 鹏，徐小力，吴国新，等.基于Ajax的四层架构远程监测系统设计［J］.计算机工程与设计，2014，35（02）:695-699.

［8］ 仰燕兰，金晓雪，叶 桦.ASP.NET AJAX框架研究及其在 Web开发中的应用［J］.计算机应用与软件，2011，28（06）:195-198.

［9］ 任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14（07）:1282-1291.

［10］郑 玲.基于Web的无线传感器网络监控系统的设计与实现［D］.北京:北京邮电大学，2010.