基于ZigBee的油井無(wú)線(xiàn)數據采集系統的設計

摘要：針時(shí)當代油田井口數據采集困難以及現場(chǎng)監測工作困難的現狀，應用ZigBee技術(shù)設計了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統來(lái)實(shí)現對油田數據的采集，以及對油田實(shí)時(shí)監控管理。其中無(wú)線(xiàn)傳感器選用JN5139芯片作為主控芯片來(lái)設計網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器與終端節點(diǎn)，并且編寫(xiě)了芯片相應的控制程序。經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)測試，系統滿(mǎn)足靈敏度設計要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee；數據采集；實(shí)時(shí)監控；JN5139

據了解，一個(gè)油田的生產(chǎn)組織結構非常復雜，一個(gè)油田的采油場(chǎng)由多口油井以及其他分散設施組成。鑒于油井數量眾多，而且分布的范圍也由幾十平方公里擴展到上百平方公里，交通條件往往十分惡劣，而且自然環(huán)境也十分惡劣，晝夜溫差極大，直接導致對井口數據采集以及對現場(chǎng)監測的工作難度增加。后來(lái)隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，出現了應用GPRS，GSM，藍牙(Bluetooth)技術(shù)來(lái)采集這些數據的方法，但是經(jīng)過(guò)一些油田的使用發(fā)現也存在一些問(wèn)題。例如這些設備造價(jià)昂貴，維護和運營(yíng)費用高。針對此種情況，本文采用了ZigBee技術(shù)來(lái)設計了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統來(lái)實(shí)現油田數據的采集以及監控管理。

1 網(wǎng)絡(luò )系統架構、通信協(xié)議和節點(diǎn)布置
油井無(wú)線(xiàn)數據采集的網(wǎng)絡(luò )架構圖如圖1所示。

1．1 網(wǎng)絡(luò )系統架構
1)單個(gè)油井的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) 這一小的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要由布置在油井各位置的無(wú)線(xiàn)傳感器組成，主要采集油井的脈沖、載荷、出油口的溫度和壓力。無(wú)線(xiàn)傳感器由相應的傳感器結合ZigBee模塊開(kāi)發(fā)，無(wú)線(xiàn)通訊距離小于100 m，傳感器和油井的數據采集控制器之間互相組成了ZigBee網(wǎng)絡(luò )。全部的數據最終集中到數據采集器中進(jìn)行處理和計算，然后數據將通過(guò)另一無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳。
2)油井間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) 這一網(wǎng)絡(luò )由油井間的數據集中控制器組成，數據集中控制器在系統中充當了網(wǎng)關(guān)的功能，將單個(gè)油井的數據進(jìn)行整理后再通過(guò)油井間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上傳到監控中心。數據集中控制器采用短距離的無(wú)線(xiàn)模塊(通訊距離小于100 m)結合大功率無(wú)線(xiàn)模塊(通訊距離小于1 000 m)開(kāi)發(fā)，實(shí)現了傳感器數據的跨網(wǎng)段傳輸。
3)監控中心 監控中心采用相應的PC服務(wù)器和數據庫系統對數據進(jìn)行分析和存儲。管理人員可以隨時(shí)了解各油井的工作情況和產(chǎn)量。
1．2 通信協(xié)議
IEEE 802．15．4規定ZigBee協(xié)議的幀結構由數據模式、目標地址、數據長(cháng)度、數據信息與校驗和5部分構成，其格式如圖2所示。

“數據模式”、“目的地址”、“數據長(cháng)度”各占用一個(gè)字節。其中，“目的地址”表示此幀要發(fā)送的目的位置，即網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)號；“數據長(cháng)度”表示該幀中數據信息的長(cháng)度；“數據信息”表示要傳送的命令或有效數據，它所占用的字節數由所發(fā)送的數據長(cháng)度決定；“校驗和”也占用一個(gè)字節。