24XStream無(wú)線(xiàn)模塊在錄井數據傳輸系統的應用

摘 要：在錄井無(wú)線(xiàn)數據采集與傳輸系統中，數據傳輸采用無(wú)線(xiàn)方式，系統采用太陽(yáng)能供電，一方面要保證數據準確性，同時(shí)要降低系統功耗。本文的設計采用2.4GHz的XStream無(wú)線(xiàn)數傳電臺實(shí)現實(shí)時(shí)、可靠傳輸。介紹了錄井無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的整體設計方案、無(wú)線(xiàn)電臺的選型和錄井無(wú)線(xiàn)數據傳輸通信協(xié)議，并對電臺的功耗和數據傳輸進(jìn)行了測試?，F場(chǎng)應用表明，無(wú)線(xiàn)傳輸系統能夠低功耗、高可靠性的穩定工作，完全滿(mǎn)足錄井現場(chǎng)的數據傳輸要求。
關(guān)鍵詞：24XStream；錄井數據傳輸；低功耗；無(wú)線(xiàn)模塊

引言

　　在傳統的石油錄井工業(yè)中，數據信號傳輸是采用“一對一”方式的RS-485總線(xiàn)傳輸，技術(shù)含量低、通用性差、可靠性低。近年來(lái)，基于現場(chǎng)總線(xiàn)的數據傳輸方式得到發(fā)展，國內外先后出現了基于現場(chǎng)總線(xiàn)（Lon Works、CAN等）的錄井儀器設備?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的使用一定程度上減小了布線(xiàn)工作量，但由于有線(xiàn)供電的需要，也無(wú)法大量減少布線(xiàn)。而且，必須在開(kāi)鉆前鋪設好通訊線(xiàn)路和供電線(xiàn)路，在井場(chǎng)搬遷過(guò)程中拆卸和安裝工作量大，容易導致設備的損壞。特別是小型錄井儀，主要應用于生產(chǎn)井，測量參數較少，鉆井周期較短，這樣傳感器的拆裝工作就顯得尤為繁瑣。根據小型錄井儀的應用特點(diǎn)，將短距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)[1]引入錄井數據傳輸系統，取代井場(chǎng)上工程參數短距離有線(xiàn)線(xiàn)纜傳輸，可以避免以上所述的各種弊端。

無(wú)線(xiàn)傳輸方式與無(wú)線(xiàn)電臺的選擇

　　在錄井工程中，根據生產(chǎn)現場(chǎng)情況的不同，現場(chǎng)傳感器與儀器房之間的距離在幾十米到幾百米不等，屬于短距離無(wú)線(xiàn)通信。目前可應用于工業(yè)領(lǐng)域的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有：紅外線(xiàn)數據傳輸(IrDA)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802．11 h(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee和超寬帶無(wú)線(xiàn)電(UWD)等[2]，這些技術(shù)各有特點(diǎn)和適用范圍。

　　紅外線(xiàn)數據傳輸不受無(wú)線(xiàn)電干擾，不需要申請頻率，但它是一種視距傳輸，兩個(gè)相互通信的設備之間必須對準、通視，中間不能有阻擋。由于井場(chǎng)上各傳感器的位置、距離等不確定，因此，不適合用于井場(chǎng)數據傳輸。

　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)802.11b技術(shù)是一種基于電磁波傳輸的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，使用2.4GHz ISM頻段。該通訊方式具有速率高(可達11 Mbit／s)、覆蓋范圍大(可達300 m)的特點(diǎn)，但是它的功耗過(guò)大，對于使用電池供電的錄井傳感器而言是個(gè)致命缺陷。

　　藍牙技術(shù)同樣是一種基于電磁波傳輸的無(wú)線(xiàn)短距離通信技術(shù)，通信頻段亦為2.4GHz ISM頻段，可提供1 Mb/s傳輸速率和10米傳輸距離。

　　ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4標準，工作在2．4 GHz ISM公共頻段。有效覆蓋范圍10～75m之間，數據傳輸速率10kB/s～250kB/s。

　　超寬帶無(wú)線(xiàn)電是近年來(lái)發(fā)展迅猛的新型通信方式，它是基于沖激脈沖自身的寬頻譜特性，通過(guò)對具有特殊波形的沖激脈沖進(jìn)行調制獲得載有信息且符合頻帶要求的無(wú)線(xiàn)電信號。超寬帶無(wú)線(xiàn)電直接發(fā)射脈沖，不需中頻和射頻電路，有利于減小體積和降低能源消耗。

　　綜合考慮可靠性、數據傳輸實(shí)時(shí)性、低功耗和成本等各種因素，采用美國MaxStream公司的低功耗、高速無(wú)線(xiàn)數傳電臺24XStream，具有以下突出特點(diǎn)：工作頻率為2.4GHz，該頻段無(wú)授權限制，同時(shí)避免了同現場(chǎng)低頻信號及公用無(wú)線(xiàn)通信頻段的碰撞，傳輸可靠；使用時(shí)只要將DB9接口與PC或微處理器相連，通過(guò)串口向電臺發(fā)送數據，在另一端從電臺串口讀取數據就能實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信；工業(yè)級產(chǎn)品工作溫度-40～85℃，可以滿(mǎn)足鉆井現場(chǎng)要求；傳輸距離在室內或城市不接天線(xiàn)工作也能達到180m的傳輸距離，在室外空曠地區配以天線(xiàn)傳輸距離高達幾千米，可以滿(mǎn)足錄井現場(chǎng)的應用條件要求。

錄井無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的設計與實(shí)現

　　系統結構設計如圖1所示，將井場(chǎng)采集板和數傳電臺通過(guò)串口連接，采集的數據由測量節點(diǎn)發(fā)送到錄井儀器房。錄井儀器房主計算機與現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)采集傳輸節點(diǎn)之間的通信網(wǎng)絡(luò )結構是一點(diǎn)對多點(diǎn)的主從結構，數據傳輸量不大，由主計算機來(lái)按照一定的周期，通過(guò)指令依次巡檢各個(gè)現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊并收集數據。

圖1  系統結構設計圖
　　
錄井無(wú)線(xiàn)數據傳輸的通信協(xié)議

　　系統采用異步串行通信方式傳輸測量數據，錄井無(wú)線(xiàn)數據傳輸的工作流程大致如下：

　　·儀器房主計算機發(fā)出命令，要求某個(gè)現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊采集信號并上傳數據；

　　·相應的現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊接收到命令后采集被測參數信號并把處理后數據發(fā)送到主計算機；

　　·該現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊上傳數據之后進(jìn)入等待狀態(tài)，直到監控計算機巡檢完所有的無(wú)線(xiàn)采集模塊后再次向該采集傳輸模塊發(fā)出命令。

　　系統是一點(diǎn)對多點(diǎn)通信，需要進(jìn)行數字電臺與單片機、終端主控機的通信協(xié)議的設計。

　　數傳電臺24XStream點(diǎn)對點(diǎn)之間有固有的通信協(xié)議，具有自己的幀格式標準，對所傳輸數據采用CRC校驗。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，數據傳輸是透明的[3]。用戶(hù)可以根據應用系統要求，在外部再封裝一層自己的協(xié)議，進(jìn)一步提高數據準確性。

　　本系統采取9600bit/S串口通信速率。單片機讀取到前端數據后，首先將數據打包、加幀頭、加校驗碼和填充數據以構成傳輸幀，而后將數據經(jīng)由串行口發(fā)送至無(wú)線(xiàn)傳輸電臺，在2.4GHz的頻段上調制后以9600bit/S的數據率進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)射。

　　由于錄井數據采集與傳輸節點(diǎn)個(gè)數有多個(gè)，而且在錄井過(guò)程中是同時(shí)在工作的，為了保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性，要實(shí)現輪循工作。賦予每個(gè)節點(diǎn)一個(gè)地址，在每幀數據中引入了對每塊數據采集板的編號，即給每塊采集板賦予不同的地址，按地址循環(huán)訪(fǎng)問(wèn)，構成一個(gè)由一臺主機和多個(gè)傳感器節點(diǎn)組成的通信網(wǎng)絡(luò )[4]。上位機訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)時(shí)就發(fā)出相應地址命令，下位機將數據封裝為一個(gè)幀，將地址字節作為該幀幀頭，上位機根據幀頭分離數據類(lèi)型，將收到的數據分別存儲到對應的數據庫，做數據的處理和解釋。

　　通信首先必須實(shí)現正確雙方的正確握手，令上位機電臺站發(fā)送一個(gè)字節地址，下位機在收到1個(gè)字節后與本節點(diǎn)原始固定地址進(jìn)行比較驗證，地址與本節點(diǎn)地址相符后，即驗證通過(guò)，握手成功，表示上位機有數據發(fā)送請求，下位機準備數據讀取的動(dòng)作，之后上傳實(shí)際測量的物理量字節；如沒(méi)有收到本節點(diǎn)地址信息，則未通過(guò)，不會(huì )啟動(dòng)上傳數據程序。規定一幀數據包含6個(gè)字節，第1個(gè)字節是數據源地址標識，第2、3、4個(gè)字節是對應物理量的十六進(jìn)制表示值，第5個(gè)字節是鉛酸蓄電池電壓值，最后一個(gè)字節是和校驗字節，系統中采用和校驗，對一幀數據的前5個(gè)字節進(jìn)行加和運算。上位機收到一幀數據后，進(jìn)行同樣的運算，將運算結果同本幀數據的最一個(gè)字節進(jìn)行比較，如若相同，則數據正確；如若不同，表示該幀數據出錯，予以丟棄。

　　現場(chǎng)應用試驗證明，在錄井系統這種數據傳輸速率要求不高，數據量不大的應用情況下，以上協(xié)議可以滿(mǎn)足系統要求。

錄井無(wú)線(xiàn)傳輸系統的低功耗設置與測試

　　現場(chǎng)錄井采集傳輸模塊采用“太陽(yáng)能電池板+可充電電池”的無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)。為了不影響錄井作業(yè)，需要電源能夠不間斷地提供所需。在夜間用電池儲存的電能來(lái)供給無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊的運行，遇到連續陰雨天時(shí)必須保證無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊至少工作三天。在給定可充電電池的容量和太陽(yáng)能電池板的功率的條件下，應當采用合理的設計手段，盡可能降低系統功耗。除了考慮數據采集板器件的低功耗選型和設計外，系統工作模式的設置也非常重要。

　　影響無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路功耗的因素很多，包括節點(diǎn)采用的調制模式、數據率、發(fā)射功率和操作周期等。從系統工作過(guò)程可以看出，單個(gè)現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊，它并沒(méi)有一直在工作，在一個(gè)巡檢周期的大部分時(shí)間里它處在等待狀態(tài)。例如一個(gè)小型錄井儀一般有5個(gè)現場(chǎng)節點(diǎn)，要求每秒鐘對每個(gè)節點(diǎn)采樣一次，即巡檢周期為1秒。而錄井數據傳輸量并不大，一般主計算機發(fā)出的命令為1個(gè)字節，無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊每次上傳的有效數據為4個(gè)字節，包括其他信息在內也不超過(guò)12個(gè)字節。以每次上傳12個(gè)字節，通信波特率為9600計算，一次數據通信用時(shí)為T(mén)=12*8/9600=0.01s,即單個(gè)無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊與主計算機每次通信至多為10ms，在剩下的超過(guò)900ms的時(shí)間里無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊處在空閑狀態(tài)。

　　24XStream電臺具有4種工作模式，即發(fā)送、接收、空閑和睡眠狀態(tài)，每種工作模式下的電流消耗見(jiàn)表1。

表1 無(wú)線(xiàn)數傳電臺的功耗特性

　　從表1中數據可以看出，電臺在發(fā)射時(shí)的電流很大，在空閑狀態(tài)的電流消耗與接收狀態(tài)一樣。也就是說(shuō)不管是工作狀態(tài)還是空閑狀態(tài)，其電流消耗都不低于90mA。而在睡眠狀態(tài)時(shí)，僅有6mA的電流消耗。如果讓無(wú)線(xiàn)采集傳輸模塊在900ms沒(méi)有數據收發(fā)的空閑時(shí)間里處于睡眠狀態(tài)，可以大大降低系統的功耗。

　　圖2是利用24XStream提供的計算軟件對電臺在各種情況下的功耗進(jìn)行了計算。

圖2 電臺功耗計算

　　以上根據數據傳輸量、通信速率和睡眠功能這三方面的因素，計算了5種情況下電臺的功耗：A、B、C、D、E（周期都為1s,發(fā)射時(shí)電流為180mA，接收/空閑時(shí)電流為90mA，睡眠時(shí)電流為6mA）。按照同樣的情況，進(jìn)行了實(shí)際功耗測試與比較，如表2所示。

表2 電臺實(shí)際功耗測試
　

　　從計算比較和實(shí)際功耗測試比較可以看出，使用睡眠功能后，電流消耗大大降低。另外，數據傳輸量的減少和通信速率的提高也能在一定程度上降低功耗，但不是影響系統功耗的主要因素。需要指出的是，電臺從睡眠狀態(tài)喚醒需要一定時(shí)間，實(shí)際測量的功耗要稍微高于理論計算值，但總體來(lái)說(shuō)使用睡眠功能時(shí)該電臺的功耗很低。

結語(yǔ)

　　鉆井現場(chǎng)有許多大功率電機和其他儀器設備，電磁輻射很?chē)乐?，而且現在鉆井作業(yè)不僅是在曠野地帶，有時(shí)也會(huì )在距離市區建筑較近的地方，在這些地區進(jìn)行錄井作業(yè)，數據的無(wú)線(xiàn)傳輸會(huì )受到影響，高大建筑物會(huì )對無(wú)線(xiàn)通信的質(zhì)量和傳輸距離產(chǎn)生一定的影響。本文設計的錄井數據傳輸系統中選用XSteam24無(wú)線(xiàn)數據傳輸電臺，工作在ISM頻段，數據傳輸準確，抗干擾性好，功率消耗低，比傳統的數據通信方法有很多改進(jìn)和提高，滿(mǎn)足錄井工程的需要。

參考文獻：

[1] 蔡型，張思全．短距離無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)綜述[J].現代電子技術(shù)，2004,170(3)：65-68
[2] 蘇堪華，周廣陳．錄井工程參數采集系統無(wú)線(xiàn)化技術(shù)研究[J].錄井工程，2006,17(1)：39-40
[3] 吳杰，馮冬青.數字電臺在自來(lái)水管網(wǎng)監測調度系統中的應用[J].微計算機信息 2006,22(12)：288-290
[4] 吳永祥.基于無(wú)線(xiàn)電臺的風(fēng)井綜合參數安全監控系統[J].煤礦安全,2006，12:37-38