基于ZigBee 通信协议的油气井数据采集系统设计

卓吉高，潘 嘉，张长浩

（1.中国石化华东油气分公司，江苏南京 210036；2.中石化重庆页岩气有限公司，重庆 408400；3.泰州油恒油气工程服务有限公司，江苏泰州 225399）

ZigBee 通信协议是以IEEE802.15.4 标准为应用基础的低功耗型局域网协议文件，与传统IEEE 协议相比，ZigBee 通信协议能够同时处理物理层与MAC层中的数据信息传输指令，一方面扩展了原有网关的文件联盟形式，另一方面也对网络层API 节点进行了标准化处理[1]。从功能性角度来看，ZigBee 协议具有速率低、传输距离短的连接优势，被广泛应用于近距离无线网络传输环境中，由于各级协议标准文件的存在，同一ZigBee 通信协议的实现，往往需要数千个微小传感器元件的共同配合[2]。

随着天然气勘探开发项目的不断扩大、石油天然气钻采要求的不断提高、现场生产技术要求的不断更新，油气井施工过程中的突发性要素量也在逐渐增多[3]。在此情况下，为确保相邻油气井之间的通信稳定性，传统无线感应型数据采集系统通过USB传输的方式，提升通信数据之间的连通性能力，然而由于通信任务量的不断增大，这种系统应用模式已经不能实现对油气井数据传输行为的准确分析，无法实现对机械结构应用能力的有效保护。为避免上述情况的发生，引入ZigBee 通信协议，设计一种新型的油气井数据采集系统，借助DSP 芯片等硬件设备结构，对油气井数据的帧缓冲区进行管理，再联合ZigBee 协议栈的总体架构，实现对采集帧文件的接收与处理。

1 油气井数据采集系统硬件设计

油气井数据采集系统的硬件执行环境由采集信号放大器电路、通信滤波器、DSP 芯片三部分共同组成，具体搭建方法如下。

1.1 采集信号放大器电路

采集信号放大器电路可提供油气井数据采集系统所需的传输电子，并可在多个电阻元件的作用下，实现对ZigBee 通信信息的收集与处理。一级信号放大结构位于放大器电路上部，可调整L 级电阻设备中的传输电流，并可将这些电量信号转换成全新的传输形式[4]。二级信号放大结构位于放大器电路下部，能够完整承接上级设备元件输出的通信电子量，可借助C 级与L 级电子通路，将电量通信信息反馈至下级设备结构体之中。总的来说，采集信号放大器电路具备较强的电信号感知能力，可在ZigBee 通信协议的作用下，实现对油气井数据采集信息的有效存储。采集信号放大器电路图如图1 所示。

图1 采集信号放大器电路图

1.2 通信滤波器

通信滤波器存在油气井数据采集系统的输入端节点与输出端节点之间，可按照ZigBee 通信协议重新安排数据信息参量的传输行为[5]，再通过L1′、L2′、L3′三个接口组织，重新对数据信息文件进行编码。通常情况下，L1′、L2′、L3′三个输出接口分别与L1、L2、L3 三个输入接口保持对应性关系，随着采集信号放大器连接状态的开启，处于调度状态的油气井通信数据会快速进入滤波器结构体之中[6]。由于G 级端口组织的存在，未经完全消耗的油气井通信数据会快速进入系统接地线组织之中，且随着操作数据信息传输指令，通信数据文件也可得到较好处理[7]，一方面避免了通信数据传输堆积行为的出现，另一方面也可满足滤波器设备三相传输需求[8]。通信滤波器结构如图2 所示。

图2 通信滤波器结构图

1.3 DSP芯片

DSP 芯片负责及时协调ZigBee 通信协议的连接能力，从而使油气井数据的传输能力可在短时间内趋于稳定[9]。EITEMT 主板、R 组、C 组、S 组、L 组同时存在于DSP 芯片之中。其中，EITEMT 主板能够准确接收采集系统中传输的油气井通信数据信息，并可借助R 组、C 组、S 组、L 组四类元件设备，完善ZigBee通信环境[10]。随着待采集油气井通信数据量的增大，R 组、C 组、S 组、L 组四类元件所承担的传输压力也在不断递增，在此情况下，DSP 芯片会面临高强度的数据处理需求，但由于EITEMT 主板的存在，这种指令需求的发展水平能够得到较好控制，并最终为油气井通信数据提供更为广阔的采集处理空间。

2 油气井数据采集系统软件设计

在ZigBee 通信协议的支持下，按照协议栈架构搭建、帧缓冲区管理、采集帧接收处理的操作流程，实现采集系统软件执行环境的搭建，结合各级硬件设备，完成基于ZigBee 通信协议油气井数据采集系统的设计。

2.1 ZigBee协议栈的总体架构

ZigBee 协议栈的总体架构按照通信任务优先级由高到低的顺序进行排列，且随着油气井通信数据的不断传输，协议参量也会保持层层递进的运转状态，直至将系统内暂存的油气井通信数据完全消耗至原始存在状态[11]。ZigBee 应用程序位于协议栈体系的最上端，具备最弱的通信任务优先级水平，在执行采集指令的过程中，只能依靠其他节点对油气井数据信息所属类别进行分辨[12]。应用层、网络层、MAC层组织中的通信任务优先级水平依次递增，即该结构元件所接收到的油气井通信数据量也在随之增大。两个抽象层结构可以同时对油气井通信数据的传输行为起到促进作用，属于协议栈体系中独立的通信传输结构，ZigBee 协议栈总体结构示意图如图3所示。

图3 ZigBee协议栈总体架构示意图

2.2 油气井数据的帧缓冲区管理

在ZigBee 协议栈总体架构的支持下，油气井数据帧缓冲区管理行为等同于对数据信息传输量的二次加工，由于通信滤波器、DSP 芯片等多个结构性元件的存在，油气井通信数据可在系统数据库主机中大量存储，且不会随独立采集指令的执行而出现全部输出的情况[13]。简单来说，帧缓冲区可等同于小型的通信数据疏导机构，在采集系统内部，ZigBee 通信协议所具备的传输能力越强，系统主机在单位时间内所采集到的数据信息总量也就越大[14]，而随着这些物理信息量的不断堆积，系统运行环境中极易出现明显的数据拥塞行为，而在帧缓冲区管理行为的作用下，这些信息参量得到了较好地疏通，不仅能够在一定程度上促进系统采集能力的增强，也可较好地保障ZigBee 通信协议的实际应用能力。油气井数据帧缓冲区管理流程图如图4 所示。

图4 油气井数据帧缓冲区管理流程图

2.3 采集帧接收处理

采集帧接收处理是油气井数据采集系统设计的末尾操作环节，在ZigBee 通信协议的作用下，该项执行命令的作用结果能够影响系统主机对于油气井通信数据的实际采集效率，从而帮助各级单位体系对施工现场的进度状况进行较好地判断[15]。在不考虑其他干扰下，采集帧接收处理结果同时受到油气井通信数据传输系数与通信时长两项物理量的影响[16]。一般情况下，油气井通信数据传输系数并不能单独存在，在同一采集系统中，该项系数的存在结果量至少为两个(W1、W2)。通信时长可表示为f，由于ZigBee 通信协议属于一种单向的信息传输标准，因此该项物理量也不存在无限增大或缩小的可能。联立上述物理量，可将采集帧接收处理结果表示为：

式中，χ代表间接性通信行为量，pˉ代表单位时间内的油气井通信数据传输均值。至此，完成相关软硬件设备结构体系的搭建，在ZigBee 通信协议的作用下，实现油气井数据采集系统的顺利应用。

3 系统测试

为验证基于ZigBee 通信协议油气井数据采集系统的应用有效性，设计如下对比实验。将待检测油气井置于各连接管道中部，分别将实验组、对照组应用主机置于中心油气井两端，其中，实验组主机配置基于ZigBee 通信协议的油气井数据采集系统，对照组主机配置传统无线感应型数据采集系统。

RPS 指标能够反映随着通信任务的执行，油气井通信数据采集指令的运行速率变化情况，大多数情况下，前者的数值水平越高，后者的运行速率就越快，RPS 指标记录具体实验结果如表1 所示。

表1 RPS指标记录结果

在表1 中，实验组RPS 指标在实验时间达到20 min 后，呈现出明显不同于前20 min 的急速上升状态，但这种上升变化的持续时间相对较短，当实验时间达到40 min 时，这种上升状态得到有效控制，但总体上升变化趋势并未改变。两组对照组RPS 指标在前35 min 的实验时间内，一直保持小幅平稳上升的变化状态，而从第40 min 开始，则进入了快速下降阶段，其极大值水平也远不及实验组。

QDI 指标反映了油气井设备在通信传输过程中的损伤可能性，在ZigBee 通信协议应用能力不发生改变的情况下，QDI 指标数值越大，油气井设备在通信传输过程中的损伤可能性也就越大。表2 记录了实验组、对照组QDI 指标数值的实际变化情况。

分析表2 可知，实验组QDI 指标在整个实验过程中始终保持不断下降的数值变化趋势，但从第35 min开始，其下降幅度明显得到有效控制。两组对照组QDI 指标在前30 min 的实验时间内，一直维持连续上升的变化趋势，而从第35 min 开始，则逐渐趋于相对稳定的数值变化状态。从极限值角度来看，实验组最大值32.6%与两组对照组最大值62.3%、58.4%相比，下降了29.7%和25.8%。

表2 QDI指标记录结果

综上所述，RPS 指标出现了明显上升的变化趋势，而QDI 指标却开始不断下降，不但能够加快油气井通信数据采集指令的运行速率，也可避免在通信传输过程中，相关设备元件出现非必要性损伤。

4 结束语

随着ZigBee 通信协议的应用，油气井数据采集系统联合采用信号放大器电路、通信滤波器等多个硬件设备结构，在管理油气井数据帧缓冲区的同时，完成对采集帧的接收与处理。从实用性角度来看，RPS 指标增大与QDI 指标减小同时出现，能够加快油气井通信数据采集指令的运行速率，同时避免损伤关键设备元件，这在一定程度上延长了油气井元件的实际使用寿命。

油气井数据采集系统设计还在不断完善中，未来可以就减少油气井数据采集时间，且保证数据采集的精度上进行更加深入的研究，为实际的油气井数据采集工作提供借鉴。