基于ZigBee技術(shù)的油田示功參數監控系統

0 引言
隨著(zhù)全球經(jīng)濟的穩步發(fā)展，石油的在人們生產(chǎn)、生活中的應用越來(lái)越廣，石油的需求量也與日俱增。人們對石油的生產(chǎn)更加關(guān)切。目前，油田現場(chǎng)采集、監控一般采用傳感器進(jìn)行數據的采集，然后將信號通過(guò)電纜傳送到控制中心加以處理。油田現場(chǎng)所處環(huán)境偏遠惡劣、地勢復雜，油井分布廣、數量多，鋪設固定通信線(xiàn)路成本高、線(xiàn)路長(cháng)、設備造價(jià)高、投資大等特點(diǎn)，制約了油田的生產(chǎn)監控。本文提出將ZigBee技術(shù)應用在油田監控中。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介
近年來(lái)，隨著(zhù)微機電系統(MEMS)、片上系統(SOC)、傳感、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò )和通信等方面的飛速發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )(WSN)以其成本低、組網(wǎng)靈活、受地理環(huán)境限制少等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都展示了廣闊的應用前景。ZigBee技術(shù)利用全球共用的公共頻率2．4GHz，具有非常顯著(zhù)的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多、傳輸距離遠等優(yōu)勢，目前被視為替代有線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )最有前景的技術(shù)之一。與傳統無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比(見(jiàn)表1)，ZigBee的特點(diǎn)主要表現以下幾個(gè)方面：
(1)低功耗。待機模式，2節AAA干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作0．5~1年。
(2)低成本。協(xié)議大幅簡(jiǎn)化，免執照頻段，免協(xié)議專(zhuān)利費。
(3)低速率。250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始數據吞吐率。
(4)近距離。傳輸范圍為10～75m，提高RF發(fā)射功率，可增加到1～3km。
(5)網(wǎng)絡(luò )容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet，可組成65000個(gè)節點(diǎn)大網(wǎng)。
(6)短時(shí)延。ZigBeen響應速度快，睡眠轉入工作狀態(tài)需15ms，節點(diǎn)連接入網(wǎng)需30ms。
(7)安全性能高。提供三級安全模式：無(wú)安全設定、接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數據及采用AES－128對稱(chēng)密碼。

2 系統總體方案
加速度傳感器、載荷傳感器定時(shí)收集各井口的示功參數，在A(yíng)RM處理器控制下，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)?？?，在IEEE802．15．4技術(shù)標準的支持下，由ZigBee網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調器，經(jīng)衛星或GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據發(fā)送至控制中心，及時(shí)掌握采油現場(chǎng)的工作參數，實(shí)現數據的匯總、整理與分析，并及時(shí)對終端下達控制命令，調整生產(chǎn)。
該系統分數據采集終端、Zi gBee無(wú)線(xiàn)路由器、ZigBee／WN協(xié)調器、控制中心四個(gè)部分。油田監測系統架構如圖1示。 圖一油田監控系統架構

系統由三級WN組成，結構簡(jiǎn)單、性能穩定、易于實(shí)現。低功耗為該系統突出表現。ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用的是2．4GHz頻段。該頻段為全球統一無(wú)需申請的ISM頻段。該頻段(2．4~2．483GHz)被劃為16個(gè)信道，數據傳輸速率250kb／s，碼元速率為62．5kbaud，采用16進(jìn)制正交調制，用碼片長(cháng)度為8的偽隨機碼直接擴頻。GPRS傳輸速度為56~115Kb／s。與GPRS網(wǎng)絡(luò )結合使用，可以滿(mǎn)足ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳輸數據的需求，可以減少系統建設初期的投資費用，減輕網(wǎng)絡(luò )運行維護工作量，使油井示功參數及時(shí)、準確地傳送至監控中心。系統通過(guò)ZigBee和GPRS兩種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連接，實(shí)現實(shí)時(shí)監控，對油田出現的問(wèn)題及時(shí)發(fā)現和處理。