油田井场工况监测中的ZigBee数据通信技术应用＊

任燕，刘娇月

（河南工业职业技术学院，河南南阳473009）

油田井场工况监测中的ZigBee数据通信技术应用＊

任燕，刘娇月

（河南工业职业技术学院，河南南阳473009）

摘要：设计了基于ZigBee无线传感网络技术的油田井场数据采集与通信系统，进行了传感器接口、电源电路及无线通信等模块的硬件设计与选型，开发了系统软件。构建了现场局域网及广域网两级网络通信结构。经现场实际应用证明井场数据采集和传输简便、可靠、高效，设备功耗降低，实现了井场工况监测系统低成本运行。关键词：无线传感网络；井场工况检测；数据通信

1　引言

目前国内大多数油田井场工况主要监测手段仍然是人工定期巡检的方法，在生产作业过程中人为因素使得测量数据误差明显、操作流程繁琐。在已经采取数字化井场管理的油田中，主要采用GPRS技术用于数据的远程传输，由于GPRS技术在数据网络的可扩充性、可移植性等方面具有较大局限，设备投入和使用费用较高，不利于油田井场管理的数字化升级和推广应用。个别井场使用微波与数传电台的方式采集数据，数据接口技术复杂，可靠性不高，整体使用效果不理想，使得现有数据采集与通信手段在技术和经济上都不符合未来智慧油田的发展大趋势。

ZigBee是一种低速率、近距离无线网络技术，能耗低、通信效率高。符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用网络通信标准。在环境监测、智能家居、工农业生产等领域的区域参数采集方面，应用日益广泛。针对油田井场自动化平台，本文采用ZigBee技术方案，设计了油田井场工况监测数据通信系统，实现了井场内监测数据的无线实时传输，促进了油田信息化、数字化监测技术发展［1］。

2　监测数据通信系统总体设计

系统主要由三部分组成：现场传感器节点、协调器网关中心节点和上位机远程监控中心节点。其中现场传感器节点是采集井场工况参数数据的核心设备，采用ZigBee技术，由ZigBee组成网络终端节点进行数据采集。终端设备可以通过软件协调分时连接至多个路由设备从而与整个网络通信。系统总体框图如图1所示。

网络拓扑结构如图2所示，传感器节点具有本地数据采集传输和路由功能，其目的是为了实现数据的采集、融合和转发，对采集到的数据和接收到的其他传感器节点发送来的数据进行综合，再转发到协调器节点。网络的中心是协调器节点，它具有网络协调、网关功能，主要负责建立一个网络并允许传感器节点的加入，连接外部的通信设备，协调器节点通常连接到PC机或者使用其他方式（如Internet、移动通信网络和卫星等）与外界通信。

系统可应用于井场内距离在ZigBee传输范围内的多个机井，通过改变网络拓扑结构，增加网络中路由节点，使单井数据可以转发即可。整个系统构建模式层面清晰，易于维护管理，减少了线路布设，降低了线缆铺设费用，也降低了现场安装工序的复杂程度，避免了工作状态下线缆损坏而带来的设备故障。GPRS通信终端数目的减少有效降低了设备运营产生的通信费用。自组织性能大大提高了数据传输能力，系统可移植性及可扩充性增强［2］。

图2　数据采集网络拓扑图

图1　油井远程监控系统结构框图

3　系统硬件设计

3．1现场传感器节点设计

在系统终端采集节点功能简单、结构精简，采用蓄电池供电，应用CC2430内部定时时钟产生中断对其予以唤醒，多数时间终端节点处于睡眠模式，这种工作模式能够最大程度节约电能。终端节点硬件框图如图3所示。

图3　终端节点硬件框图

该器件对电源敏感性要求相对不高，故电源模块选用蓄电池为节点供电，以达到方便、便携的目的。系统主要有两个电源电路，一路5V电源为传感器供电，一路3．3V电源为无线模块供电。5V电源模块选用一款1．25A的大电流、高精度、低压差的LM2940芯片，工作时静态电流低至240μA。

3．2节点传感器模块

现场传感器节点被安装在被监控对象上，采集抽油机井的载荷、位移等参量，为实现载荷、位移及电参数的实时采集，并与控制器及上位机监控系统进行通讯和实时传输。节点传感器模块主要包括：主电机参数检测；减速器参数检测与故障判断；游梁位移传感器检测；曲柄角速度检测；抽油机载荷检测。

3．3网络协调器节点（网关节点）设计

网关节点的功能包括建立网络、无线收发数据等。系统设计汇总网关包含ZigBee无线网络的协调器，即网络的建立者，主要负责ZigBee和GPRS的双向数据、转换协议，其原理结构如图4所示。

图4　协调器节点原理结构图

协调器节点（网关节点）一直保持工作状态，侦听监测网络，执行各协议层的任务，随时处理采集终端节点关联、解关联以及数据帧发送、接收请求等。各终端采集节点通过协调器与GPRS网络校对时，使得网络时间同步。通过GPRS网络将数据发送回上位机监控室。ZigBee网络中协调器与GPRS模块之间通过串口连接，协调器将从终端子节点传感器采集的数据汇聚后再传至GPRS模块内，通过内部的TCP／IP协议将数据打包封装后发送至SGSN进而与GGSN沟通后，井场SGSN将数据包传送到上位机监控中心。网关经过ZigBee网络周期性采集抽油机井工况数据，再通过GPRS模块实时地传送至监测室中，监测中心接收到现场上传来的数据后，通过内部网Intranet与管理终端实现共享。

3．4远程监测中心

远程监测中心是一个服务器，服务器上运行着上位机软件，当远程监测中心接受到无线传感器网络采集的数据后，该软件可图形化显示远程油田上的数据。

4　系统软件设计

ZigBee节点的软件设计开发是在IAR、Packet Sniffer、SmartRF04、Flash Programmer等软件开发环境的联合使用过程中进行的，主要是完成节点网络的建立与维护、各工矿数据的采集处理、采集数据的实时传输等功能。传感器通过ZigBee把采集到的数据传输到协调器。每一个单独节点上装载有载荷传感器和角位移传感器，传感器节点采用命令工作的方式对数据进行采集［3］。

4．1数据采集程序设计

采集时刻到来时，传感器节点首先要打开传感器开关，待传感器工作稳定以后，系统工况数据采集流程图采集得到的模拟电压值将会被送入到AD口转换成数字量。本系统使用的是CC2530内部集成的AD转换器，此AD转换器支持14位的模拟数字转换，具有多达12位的ENOB，包括一个模拟多路转换器，8个各自可配置的通道，可接受单端或者差分信号，以及拥有一个参考电压发生器。

ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD转换控制寄存器2）、ADCCON3（单通道AD转换控制器2）、ADCL（ADC数据低位）、ADCH（ADC数据高位）。

4．2数据传输程序设计

传感器节点直接与协调器节点进行通信，该过程中传感器节点一直处于休眠状态。协调器节点组网完成后，开始发送广播帧通知覆盖所有传感器节点，组建网络。协调器接收到传感器的入网命令后，要将此传感器节点的IEEE地址保存下来，并立即向传感器节点发送响应帧，允许此传感器节点

图5　网关节点工作流程图

加入该网络，协调器节点将一直进行组网操作，直至整个超帧完结［1，3］。

4．3网关节点工作流程

网关节点中ZigBee网络协调器主控器将采集的工况数据通过RS－232串口传送GPRS模块，GPRS模块内置TCP／IP协议会将数据打包发送至SGSN，进而与GGSN通信沟通后对数据进行处理后，经SGSN发送至监测中心。网关节点工作流程图如图5所示。

5　结论

在单井区范围局域内内引入ZigBee技术，由终端节点传感器采集监测抽油机工作情况的各个参量，进行数据采集传输，广域上采用GPRS的两层传输网络架构，数据包经由GPRS网络进行统一远程传输至Internet，很大程度上能提高数据的集中化管理和互通。该设计融合了两种无线传输手段的优势，搭建的网络结构具有传输可靠性高、抗干扰性能强、网络结构简单明了等优点，可以自动管理、组网灵活、具有较强的可扩展性，经济性能高，在油田井场抽油机工况实时监控方面具有广阔的应用前景。

参考文献：

［1］曲鹏．基于ZigBee游梁式抽油机工况监测与故障诊断系统研究［D］．大庆：东北石油大学，2013．

［2］何建中．抽油机在线监测及自动控制技术研究与应用［J］．石油机械，2012，40（2）：51－53．

［3］陈兆安，任晓峰，谭滨等．油田井场数字化集成监控装置的研制［J］．油气田地面工程，2013，（11）．

中图分类号：TE933

文献标识码：A

基金项目：＊河南省科技攻关计划项目（142142214251）

文章编号：1005—7277（2015）03—0042—03

收稿日期：2014－11－20

Application of ZigBee data communication technology in the working condition monitoring of oilfield well site

REN Yan，LIU Jiao－yue
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

Abstract：The data acquisition and communication system of oilfield well site based on ZigBee wireless sensor network technology is designed．The module hardware design and type selection of sensor interface，power supply circuit and wireless communication are carried out，and the system software is also developed．The two－level network communication structure of LAN and WAN is built．The actual application proves that the data acquisition and transmission on well site is simple，reliable and efficient，as well as the power consumption of equipment is greatly reduced．The low cost operation of condition monitoring system in well site can be realized．

Key words：wireless sensor network；well site working condition testing；data communication