基于ZigBee技術(shù)的油田示功參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言
隨著全球經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，石油的在人們生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來越廣，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(xiàn)場采集、監(jiān)控一般采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后將信號通過電纜傳送到控制中心加以處理。油田現(xiàn)場所處環(huán)境偏遠(yuǎn)惡劣、地勢復(fù)雜，油井分布廣、數(shù)量多，鋪設(shè)固定通信線路成本高、線路長、設(shè)備造價高、投資大等特點(diǎn)，制約了油田的生產(chǎn)監(jiān)控。本文提出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在油田監(jiān)控中。

1 ZigBee技術(shù)簡介
近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC)、傳感、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)和通信等方面的飛速發(fā)展，無線傳感網(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(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)利用全球共用的公共頻率2．4GHz，具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，目前被視為替代有線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)最有前景的技術(shù)之一。與傳統(tǒng)無線技術(shù)相比(見表1)，ZigBee的特點(diǎn)主要表現(xiàn)以下幾個方面：
(1)低功耗。待機(jī)模式，2節(jié)AAA干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作0．5~1年。
(2)低成本。協(xié)議大幅簡化，免執(zhí)照頻段，免協(xié)議專利費(fèi)。
(3)低速率。250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始數(shù)據(jù)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個節(jié)點(diǎn)大網(wǎng)。
(6)短時延。ZigBeen響應(yīng)速度快，睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)需15ms，節(jié)點(diǎn)連接入網(wǎng)需30ms。
(7)安全性能高。提供三級安全模式：無安全設(shè)定、接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數(shù)據(jù)及采用AES－128對稱密碼。

2 系統(tǒng)總體方案
加速度傳感器、載荷傳感器定時收集各井口的示功參數(shù)，在ARM處理器控制下，通過ZigBee無線模快，在IEEE802．15．4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支持下，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器，經(jīng)衛(wèi)星或GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，及時掌握采油現(xiàn)場的工作參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總、整理與分析，并及時對終端下達(dá)控制命令，調(diào)整生產(chǎn)。
該系統(tǒng)分?jǐn)?shù)據(jù)采集終端、Zi gBee無線路由器、ZigBee／WN協(xié)調(diào)器、控制中心四個部分。油田監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1示。 圖一油田監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由三級WN組成，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)。低功耗為該系統(tǒng)突出表現(xiàn)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)采用的是2．4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無需申請的ISM頻段。該頻段(2．4~2．483GHz)被劃為16個信道，數(shù)據(jù)傳輸速率250kb／s，碼元速率為62．5kbaud，采用16進(jìn)制正交調(diào)制，用碼片長度為8的偽隨機(jī)碼直接擴(kuò)頻。GPRS傳輸速度為56~115Kb／s。與GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，可以滿足ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的需求，可以減少系統(tǒng)建設(shè)初期的投資費(fèi)用，減輕網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行維護(hù)工作量，使油井示功參數(shù)及時、準(zhǔn)確地傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)通過ZigBee和GPRS兩種無線網(wǎng)絡(luò)的連接，實現(xiàn)實時監(jiān)控，對油田出現(xiàn)的問題及時發(fā)現(xiàn)和處理。