油田井场监测中ZigBee节能技术研究

王振军（大庆油田天然气分公司）

油田井场监测中ZigBee节能技术研究

王振军（大庆油田天然气分公司）

数字油田是如今石油石化企业的发展方向，以油田井场监测中ZigBee技术的应用为背景，学习ZigBee协议，深入研究ZigBee技术中的路由算法，包括Cluster-Tree、AODV、AODVj r和ZBR路由算法。ZigBee技术受现有协议的限制，会产生网络能量消耗过快和节点中断等问题，修改ZigBee协议的网络层并对现有路由协议进行改进，通过搭建NS2仿真实验平台，将改进后的ZBR路由算法与原有ZBR路由算法在分组递交率方面进行性能对比分析。可以达到节能减耗的目的。

数字油田；ZigBee路由算法；节能；分簇

DOI：10.3969/j.issn.2095-1493.2017.07.004

随着社会经济的全球化，全球对于石油的需求量增加，石油工业是国家的经济命脉，更应该引进各种先进的技术来提高生产效率使利益最大化。井场监测主要目的就是将传感器监测所得的数据传输给控制间，但是大部分工厂还是采用布线的方式，这样不仅影响美观，还可能造成生产安全问题。如果我们可以将无线通讯技术运用到实际生产中，利用其无需提前架设线路、覆盖面积更广、成本低，还可以随时随地为客户提供信息等优点，这样不仅可以减少布线所造成的资源浪费，还保证了工业现场的安全。ZigBee作为一种新型的短距离无线通讯技术具有传输功耗低、使用成本低、扩展性高等优点，通过改进ZigBee协议，使得井场监测达到节能的目的[1]。

1 问题的提出

如果有多处井场需要监控时，此时会有多个节点加入到网络中，AODVjr算法在路由发现的过程中会出现大量的RREQ分组，最终形成洪泛，导致网络资源的浪费，整个监控过程中能量损耗过大。

RN-节点之间数据包只能通过树形的拓扑结构传输。如果需要传输的监测结果过多，节点很容易由于能量不足而失效，此时传输的数据就有可能丢失，它的后代节点与网络中断，此时网络的连通性会变差，最终使得数据不能传输，能量消耗增加。

ZBR算法将AODVjr和Cluster-Tree算法结合使用，但是并没有提供一种完整的机制来调节这两种算法，这样不仅使它们没有更好地发挥优点，还使得整个网络的消耗更大。

针对以上问题，对原有ZBR算法进行改进，通过改进节点邻居列表，利用邻居列表来进行路由，限制树形拓扑结构的最大跳数，使得节点能量消耗更加均衡，实现优化网络能量消耗，达到井场监测节能的目的。

2 ZigBee路由算法

2.1 Cluster-Tree算法

等级树路由算法也被称为Cluster-Tree路由算法。在网络拓扑结构中，数据以树型的方式从树干传输到树枝和树叶，节点之间看作是父子关系。当有不在网络中的节点加入的时候，采用如下方式进行地址分配[2]。

假设当前节点地址为A，网络深度为d，目的地址为D，当D和A满足公式（1）时，该节点是不具有路由能力的RFD节点，无法为新加入的节点分配地址，所以要将数据包发送给它的父节点。

当D和A满足公式（2）关系时，将数据包向下发送给下一跳节点。

该子节点的地址N为

与其它复杂的算法相比，等级树路由算法不需要建立路由表，维护路由，只需要当有数据要传输时计算下一跳的地址，这种方法在网络中节点数目过多时不适合使用。

2.2 AODVj r路由算法

AODVjr算法通过三种控制分组路由包实现网络路由的发现和维护，分别为RREQ分组、RREP分组、RERR分组。这3个分组分别负责路由请求的传递，收到路由后的信息回复和链路错误信息的回复[3]。

AODVjr路由算法比AODV路由算法实用性更高，速度更快，数据传输更加稳定。两者之间的区别如下：

1）简化路由发现过程。目的节点序列号在改进后的算法中被删除了，减少了网络中用来存储序列号所产生的能量消耗，这样做的原因是新算法规定只有目的节点才有资格在收到RREQ分组后回复RREP分组。

2）精简路由维护过程。在AODVjr算法中，源节点收到有链路断开的信息后会由上级节点首先进行本地修复，如果无法修复就会放弃该节点，重新寻找路径。这样做RERR分组中只需要保存源节点的地址信息，并且减少了不必要的RERR分组的发送。

2.3 ZBR路由算法

Cluster-Tree算法并不能开启路由发现，无法获得最短路径，这会造成整个网络传输速率减慢，而且传输路径长也会导致能量的消耗，AODVjr路由算法虽然能通过广播RREQ分组的方式找到最短最佳路由路径，但是会产生大量RREQ分组是多余的，同时还消耗了大量的有价值能量，ZBR混合路由算法就是结合两种算法的优点而实现的。

在ZBR路由算法中（图1）将节点分成RN+和RN-两种，其中RN+节点可以进行路由发现，找到数据传输最佳路径，也就是启动AODVjr路由算法，这样的好处是弥补了当网络规模过大时，随着跳数的增加造成的延时过大和能量消耗过多的问题[4]。RN-节点则采用树路由算法，不需要储存路由表，解决了AODVjr路由算法在路由发现过程中由于大量转发RREQ分组而造成的冗余问题。

图1 ZBR算法基本路由流程

3 改进算法的设计

3.1 分簇思想的提出

ZigBee网络拓扑结构和组网完成后，就需要通过分簇的方式将已经组建好的ZigBee网络进行分割，以达到节能的目的，分簇步骤如下：

1）建立簇首节点列表SCH以及簇成员列表M(CHi)并进行初始化，中心协调器作为第一个簇的簇首，将短地址0X0000加入到簇首节点列表中且设为该簇的簇标CL。

2）更新簇首节点列表以及簇成员列表，网络中的节点会收到由中心协调器发送的消息，用来判断当前节点是否可以成为簇首。

3）收到消息的节点首先要判断自身节点的功能，若为终端节点则加入到其父节点所在的簇中；若为路由节点则需要接收并判断自身是否具有成为簇首节点的条件。查看邻居列表获取邻居节点集合以及网络深度；并根据该路由节点的剩余能量与全网中所有终端节点的剩余能量的平均值的比值计算能量水平值，如果大于1则说明该节点的能量要大于其他节点，该节点就具备成为簇首的基本条件。如果小于1则不足以担任簇首，需要加入其父节点所在簇中。

4）一段时间后，中心协调器会根据申请记录中节点的邻居节点的个数、担当簇首的时间、节点的能量水平等计算这些记录的节点权值大小，如果节点权值小则加入簇首节点表中并更新。

5）新的簇首会向周围发送广播报文，还没有分配簇的节点接收报文，并且加入到簇首所在的簇内。

6）簇首将新加入的簇成员节点更新到簇成员列表中，并同时获取簇首到该节点的路由，簇成员节点则需要保存簇首的信息。

3.2 邻居列表的设计以及最大跳数的限制

1）添加邻居列表。2个节点构成邻居节点，那么这它们在一跳范围内可以直接通信，据此可以在具有路由能力的设备中添加邻居节点的地址信息。包括主要以下几个字段：

PAN ID：邻居节点的16位标识符；

Network Address：邻居节点的16位网络地址字段，有效区间为0x0000～0x3FFF；

Device Type：邻居节点的设备类型，是否为具有路由功能的邻居节点，即判断该节点的设备类型是FFD还是RFD；

Extended Address：拓展地址为64位长地址；

Relationship：邻居节点是该节点的父节点则为0x00；子节点0x01；

Neibour Power：邻居节点的剩余能量。2）最大跳数的限制。Cluster-tree路由算法的最大跳数一般是网络深度的两倍，为了提高分组数据的传输效率以及节能减耗，可以限制最大跳数：令Dsource为发送节点的深度，Daim为接收节点的深度，此时最大跳数Dmax计算公式为

若子节点不是源节点的后代节点，二者共有的父节点深度为Df，则最大跳数计算公式为

4 仿真结果与分析

对ZigBee网络路由算法进行仿真实验时，通过定义网络剩余能量来判断改进算法的性能。

定义：令网络剩余能量为网络中所有节点的剩余能量的总和。通过记录网络剩余能量随着时间的变化，可以检测网络能量的消耗情况。计算公式如下：

网络剩余能量=各个节点的剩余能量（6）

表1和表2分别记录了数据流为5个和数据流为10个时，在网络中使用ZBR算法和改进的ZBRFNT算法时，得到的网络剩余能量情况，由数据可以知道改进算法可以减少能量的消耗。

表1 数据流为5个时网络剩余能量

表2 数据流为10个时网络剩余能量

图2 数据流为5个时网络剩余能量

图3 数据流为10个时网络剩余能量

图2和图3分别为数据流为5个和10个时，随着时间增加，网络剩余能量曲线。由图可知随着数据流的增加，分组数据和控制分组的数量也随之增多，网络总体剩余能量减少，能量衰减程度相对增加。但是在各时刻相比于传统的ZBR算法，改进后的ZBR_FNT算法网络整体能耗更少。由此可见改进后的算法可以有效的在井场监测中节约能量。

基于ZigBee的油田井场监控系统网络是由很多个节点组成，包括协调器和其他通信子节点，它们组成的网络可以实现油田井场的信息采集和设备控制等，系统的硬件实物图如图4所示。

图4 系统硬件实物图

5 结束语

在油田井场监测中，ZigBee技术受现有协议的限制，会产生网络能量消耗过快和节点中断等问题，因此，为了解决这些问题实现井场监测过程中的节能，对网络实行逻辑分簇，并通过添加邻居列表、限制最大跳数等方式，在ZBR路由算法的基础上进行改进，最终通过NS2软件实验结果进行验证，实验结果表明改进后的算法可以达到井场监测节能的目的。

[1]刘新，吴秋峰.无线个域网技术及相关协议[J].计算机工程，2006，32（22）：102-110.

[2]符修文，李文峰.基于局限世界的无线传感器网络分簇演化模型[J].通信学报，2015，36（9）：204-214.

[3]钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报，2013，35（1）：215-227.

[4]李秉毅，梁柯.基于ZigBee无线传感器网络的通信标识管理终端通信研究[J].计算机科学，2015，21（8）：41-43.

（编辑 巩亚清）

高温酷暑天应急演练忙

6月15日，中国石化北京石油联合当地生产企业和消防人员在大兴区南六环新立西桥东侧进行“输油管道油品泄漏”应急预案大型演练。当日，北京气温飙至38℃。演练模拟巡线人员在巡视到新立桥东时发现输油管道油品泄露，当即向生产调度进行汇报，生产指挥中心立即启动抢险预案，组织工程抢险人员进入现场，按抢险方案进行堵漏、维修破损管道。完成修复后，报告指挥部，整个演练用时40分钟。整个演练现场，应急抢险队伍人员反应灵敏、行动迅速，实战演练平稳有序、安全有效，达到了预期效果。

胡庆明

2017-06-22

王振军，2014年毕业于佳木斯大学（计算机应用专业），从事油田生产技术管理工作，E-mail：wangzhenjun1@petrochina.com. cn，地址：黑龙江省大庆市红岗区油气加工一大队，163511。