基于ZigBee的油水井电量采集系统的设计研究

胡宗军，曹旭东，梁华庆，曹卫东

（1华北油田公司采油二厂河北任丘062550；2中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

基于ZigBee的油水井电量采集系统的设计研究

胡宗军1，曹旭东2，梁华庆2，曹卫东2

（1华北油田公司采油二厂河北任丘062550；2中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

文中通过设计电量采集电路以及结合了ZigBee无线网络技术，对电量数据进行采集和分析，并利用其支持IPV4以太网功能将仪器所得到的数据实时传送到工作站服务器上，从而让操作人员能够实时监控油田现场油气井电参量，及时发现数据异常并解决问题。通过这一系统的研发，能够得到可靠的数据采集结果与数据通信，实现高效且低功耗的油田作业目的。

IPV4；ZigBee；实时监测；电量采集

随着科技的不断发展，网络技术也越来越发达，如何将现代互联网技术融入进传统行业中成为了社会的一个焦点问题，互联网与传统行业的结合必将给传统行业带来翻天覆地的变化，从而提高生产效率并使生产成本大幅降低。对于石油行业，在原油开采的过程中由于油气井之间分布非常散乱，所以就造成了工人对油井的维护异常困难，通过设计智慧油田系统，则很好的解决了对油田各油气井运行状态实时监控的问题，为油田技术人员对油井运行状态数据的采集和分析提供的很大的方便，实现了网络化智能生产。

针对目前石油勘探开采的现状，拥抱互联网，改革原有的勘探开发方式成为了一个社会趋势。本文通过设计电量采集电路以及ZigBee无线网络技术，利用支持IPV4以太网将仪器所得到的数据实时传送到工作站服务器上，从而让操作人员能够实时监控油田现场油气水井电参量，并对数据进行采集和分析，从而使操作人员能够及时发现数据异常并排除异常。

1 系统的总体设计

整个系统由终端电量采集设备、中心控制器、RTU模块、上位机图形界面软件4个部分组成。系统主要应用：高性能嵌入式STM32F103RC单片机作为核心处理器，同时选择专门测量电力线参数的集成芯片CS5463，并采用ZigBee技术及IPV4的网络通迅技术，完成系统的设计。通过这些技术的融合，克服了信号干扰噪声大和油田面积大不易组网等方面问题，且利用先进的网络技术，将分布在油田各处的传感器数据迅速的收集并传输到上位机，实现了油田技术人员对油田现场各油气井数据的实时监控和对油田设备的实时控制，让“互联网+”技术与传统能源生产结合起来，实现自动化生产，从而提高生产效率，减少生产成本。

图1 系统组成框图

图2 系统结构图

整个控制系统采用是嵌入式Cortex-M3系列的ARM处理器STM32F103RC芯片来实现系统的主要控制功能，在嵌入式LINNX系统下设计的内核程序，使每个程序都能独立并同时运行，包含了3路485总线接口，其中两路分别用于RTU与网口，另一路为扩展接口来拓展功能。

通过采用CS5463电量采集芯片作为整个电量采集电路设计的核心，将三相电的各项信息通过采集电路进行数据采集，然后CS5463芯片与中心控制器STM32F103RC是通过SPI串行通讯接口进行数据通讯的。SPI是一种高传输速率，同步双向传输的通迅总线技术，而且仅仅使用了4根线来进行通信，减少了对芯片接口的占用。其中4个管脚分别是SDO、SDI、SCLK、CS，其中CS是片选接口，当主设备下的从设备数目不只一个时，则需要CS接口传输设备使能信号，从而判断芯片是否被激活，如果只有一个从设备，则CS接口就不需要了。

RTU模块通过以太网来传输数据到上位机，其中RTU与控制器之间是通过ZigBee网络进行数据传输的。终端数据采集设备将采集到的数据通过RTU传输给控制器，控制技术人员也可以通过控制端向终端设备发送命令，通过以太网传到RTU模块，RTU模块再控制ZigBee网络对控制器发送命令，采集相应的电量信息。

由于现场需要通讯的设备很多，通讯协议也不一样，给设备之间、设备与控制器之间的数据传输造成了很大的困难，必须采用统一的一个传输协议才能保证系统的正常运行，本系统使用的是MODBUS传输协议，方便系统数据进行传输。

系统具有以下创新点

1）在ZigBee数据协议包的基础上，移植入MODBUS协议，使系统处于相同的数据协议下，便于各个模块通信。

2）根据现场情况，采用由协调器广播发送命令，在终端传感器设备判断处理命令的方式，实现星型网络的构建。

2 系统硬件电路设计

2.1 主控芯片

STM32F10x系列是中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体（ST）公司出品，其内核是Cortex-M3。该系列芯片按片内Flash的大小分为3大类：小容量（16 K和32 K）、中容量（64 K和128 K）、大容量（256 K、384 K和512 K），STM32F103RC则属于该系列中的一种大容量增强型处理器。STM32F103RC增强型使用的是高速的ARM Cortex-M3系列32位的RISC内核，工作时钟频率为72 MHz，芯片中内置高速存储器（高达128 K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个 USB和一个CAN。 STM32F103RC增强型系列工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0 V至3.6 V，通过各种各样的省电手段来应对低能耗的应用场景。其最小系统电路图如图3所示。

2.2 电量采集芯片

CS5463是一种被广泛使用在数字电能表制造上的测量芯片，它具有测量精度高，低成本的优点。CS5463是专门用于对三相电进行各种参数测量设计，能够对瞬间电压和电流进行精确地测量，并能够计算瞬时功率、电流有效值IRMS和电压有效值VRMS、有功功率、视在功率、无功功率、基波功率、谐波功率、功率因数以及电压频率。

CS5463与不同的外设进行连接即可测量不同的电能数据。如果将分流电阻或电流互感器与芯片进行组合连接则可以用来获取电流参数，将电阻分压器或电压互感器与芯片进行组合连接则可以用来获取电压参数。并且，因为CS5463片内集成了温度传感器，通过对传感器对芯片温度的测量，有利于产品研发者计算温度变化所带来的误差，提升测试准确度。

图3 STM32芯片的主控电路图

图4 CS5463测量电路图

2.3 ZigBee终端

ZigBee相比于其他数据通信方式的最大优势在于低功耗的性能，一般的话在每小时启动设备一次采集数据，随后进入睡眠状态，发射功率仅为1毫瓦，采用锂电池提供电量支持设备工作超过3个月时间。但是作为整个无线网络的核心协调器是不能设置为低功耗模式的，终端设备作为传感器采集的控制器一般配置为低功耗模式。

CC2530芯片有5种芯片管理模式：active模式、idle模式、PM1模式、PM2模式和PM3模式，其中后3种为低功率模式[3]。PM1模式下芯片内部调压器到数字核心工作，时钟由晶体振荡器提供，设备可以由外部中断或者睡眠定时器唤醒，睡眠时间低于3 ms。在PM2模式下，电压调节器到数字核心是不工作的，低功率32 kHz晶振工作，唤醒条件类似状态，睡眠时间大于3 ms。但是如果设备设置为PM3模式，所有时钟振荡器全部关闭，只有外部中断才能将设备唤醒，睡眠时间大于3 ms，满足超低功耗。active模式为全功能模式，时钟晶振采用32 MHz有源晶振，idle模式为闲置模式，除了CC2530内嵌的8051CPU核停止运行之外，其余与全功能相同，任何一个有用的中断都可将CPU核唤醒。

传统的审美精神仍然起到着非常重要的作用和其存在的价值。这是中国文化的灵魂和根基，越是民族的就越是世界的。当代粉彩没骨花鸟画在创作作品当中应当大力弘扬传统审美精神，把我们传统的儒、道、释的美学精神所传达到作品当中。在捕捉自然界的质朴之外真正达到“天人合一”的审美境界。

根据上面的分析，在本系统设计时考虑到协调器不采用低功耗模式，终端设备应用低功耗模式，但是如果采用超低功耗PM3模式，只有外部中断才能将终端设备唤醒。但是考虑到油田现场不能人为给与外部按键中断，所以采用PM2模式通过CC2530内部睡眠定时器中断唤醒，同时也可通过协调器发送广播命令唤醒设备。

3 软件控制系统

系统开发的控制系统包括，主体控制程序，stm32与cs5463的驱动控制程序和ZigBee与MODBUS通信协议。其中ZigBee与MODBUS通信协议是系统控制程序的关键难点。软件结构设计如图5所示。

图5 软件结构设计图

为了管理ZigBee每一个网络层级的相应任务，系统抽象层OSAL采用事件轮询式操作系统并建立链表结构。由于这几层中都含有大量的事件原语函数，OSAL在每一层都设立一个事件调度函数，针对这层不同事件，调用相应函数。但是，不论系统的总体和每层的个体，在事件驱动操作系统中都存在优先级的概念。在z-stack协议中，利用建立链表的方式，来排列任务的优先级，按照任务优先级由高到低的顺序进行事件插入，而相同的优先级，则遵循时间顺序判断。

这样的话，整个协议栈的驱动就集中在两个特定的函数中：osal_set_event（ uint8 task_id，uint16 event_flag）和 osal_starttimerEx（ uint8 taskID，uint16 event_id，uint16 timeout_value）。前者为事件设置函数，通过它来进行16位二进制数事件设置，并加入到链表当中并进行访问。后者则为事件轮询时间设置，即系统每隔一段时间进行事件设置并访问事件，最小的时间间隔为1us。事件的设置除了在主函数初始化时设置了各层的对应事件，也可在应用层相应位置加入自己所需要的功能事件。

图6 Z-stack主函数流程图

观察z-stack协议，得出结论，整个程序在经历了一系列初始化之后，最终进入osal_start_system（）函数，并且在该函数进行轮询，如果有事件发生，就调用处理对应事件的子函数进行处理，如果无，则继续轮询操作。调用各层处理函数，主要依靠数组tasksEvents[]和函数指针（tasksArr[idx]）（idx，events）。前者主要用来读取并存放相应事件，后者则会调用对应的处理函数，而数组tasksArr[]则描述的是各层任务处理函数。

工业无线网络中通常会在modbus协议设备地址与ZigBee网络地址之间建立映射表，或者modbus协议设备地址与ZigBee物理地址建立映射表，这样的方法只适用于单个无线网络。但是，油田现场相邻油井距离动辄几千米，而传感器网络再加入功放器件后，距离最大为1.5千米，很明显独立无线网络是远远不能达到达到目的，而且任何一个油田所建立的油井数量都极其多，于是就出现了根据MODBUS协议来给每个设备分配8位设备地址是远远不够的。这样的话，必须使用单个传感器网络覆盖单个油井的方法，再通过RTU与监控室上位机连接。关键点是要建立传感器网络与上位机油水井号之间的地址映射表，以便实现对应油气水井的监控。

不同的ZigBee无线传感网络之间是通过它们的PanID来区分的，一个PanID对应一个无线网络，PanID不同网络无法通信。PanID是通过f8wConfig.cfg文件中的DZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置的，范围 为 0x0000—0x3FFF，通 过 zb_GetDeviceInfo（ZB_INFO_PAN_ID，amp;pan_id）函数读取。在控制端建立PanID与油气水井号之间的地址映射列表如表1所示。

表1 地址映射列表

上位机通过调用上述地址映射列表找到相应油水井所处的网线网络PanID号，并发送相应命令给油井现场主控制器，主控制器按照命令进行相应控制，并将结果连同所在PanID反馈给上位机，上位机再通过列表找到对应的油水井并显示数据。

图7 控制程序流程图

由于油水井所要控制的设备较少，现场主控制器接收到命令后，以广播的方式将命令通过无线网络发送，现场数据采用modbus协议封装。对具体某设备的控制判断，通过该协议中包含的设备地址，在终端设备中进行判断。不在采用传统单个无线传感器网络数据传输方法（通过64位物理地址或16位网络地址与modbus协议设备地址建立地址映射列表，向对应设备发送命令时要查表找到设备地址对应的物理地址或网络地址，才能发送命令）。

在系统中由于STM32需要控制很多设备和芯片，所以将每个设备和芯片均按照一定的协议格式进行编号，方便处理器进行调用，而如果是直接从CC2530的缓存中读取的话，一旦CC2530缓存内容发生改变或者掉电，则处理器将无法再对相应的设备发送控制指令以及接收到采集数据了，在实际应用中，将从CC2530缓存中读取到的设备ID号写入处理器的闪存当中，这样不管CC2530缓存状态如何改变，只要选取了一次设备ID，就可以持续地对数据进行采集了。

4 系统测试结果分析

对于CC2530编译来说，采用的是IAR Embedded Workbench，版本是8.1。在对芯片进行编译的过程中需要先把协议栈安装到计算机上，并对协议栈进行配置才能下载到芯片。由于采用的是RS485总线技术来进行数据通信的，为了保证串行通讯接口都能正常工作，需要对每个串口进行调试。首先，利用串口调试助手将设定的指令发送到设备，然后设备收到操作指令后完成动作，最后将执行结果返回到调试助手。

对于搭建ZigBee无线传感器网络，本系统ZigBee无线传感器网络采用的是星型网络，通过前面有关描述，通过MODBUS协议传输的数据和指令是以广播的方式传送给终端设备的。如果是广播帧则需判断广播方向，若是由上层向下层传递则继续广播，如果相反由下层向上层传递则广播并上传信息。设备接收到控制器传送过来的命令后，首先先对指令的有效性进行判断，如果指令正确，则执行相应操作，并将采集到的数据利用同样的通信协议回传到控制器，这样就可以实现远程设备监控。实物测试如图8。

5 结 论

本次研究通过设计电量采集电路以及ZigBee无线网络技术的结合，利用支持IPV4以太网将仪器所得到的数据实时传送到工作站服务器上，从而让操作人员能够实时监控油田现场油气水井电参量，并对数据进行采集和分析，使操作人员能够及时发现数据异常并排除异常。经过实验证明，设计符合要求并能够有效地采集数据达到预定的目标，为油田的现场工作提供了便利。

图8 系统实物测试图

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The research on ZigBee power acquisition for oil and water wells

HU Zong⁃jun1，CAO Xu⁃dong2，LIANG Hua⁃qing2，CAO Wei⁃dong2
（1.Second Oil Production Company of North China Oilfield，Renqiu062550，China；2.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum-Beijing，Beijing102249，China）

In this paper，we design an electric quantity acquisition circuit and use network communication technology supporting IPV4 and ZigBee wireless network technology to transfer real-time data to station server.With these technologies，operators can monitor，collect and analyze electrical parameters of oil gas wells to discover abnormal data and solve the problem in real time.With this system researched，workers in the oil fields will be able to get reliable data collection results and data communication，and attain the goal of high efficiency and low consumption in the oil field operations.

IPV4；ZigBee；real⁃time monitoring；power acquisition

TN06

A

1674-6236（2017）22-0139-06

2016-09-07稿件编号：201609058

胡宗军（1967—），男，山东日照人，硕士研究生。研究方向：油田开发及生产管理。