基于ZigBee技术的油田示功参数监控系统

随着全球经济的稳步发展，石油的在人们生产、生活中的应用越来越广，石油的需求量也与日俱增。人们对石油的生产更加关切。目前，油田现场采集、监控一般采用传感器进行数据的采集，然后将信号通过电缆传送到控制中心加以处理。油田现场所处环境偏远恶劣、地势复杂，油井分布广、数量多，铺设固定通信线路成本高、线路长、设备造价高、投资大等特点，制约了油田的生产监控。本文提出将ZigBee技术应用在油田监控中。

1 ZigBee技术简介

近年来，随着微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、传感、嵌入式计算、网络和通信等方面的飞速发展，无线传感网络(WSN)以其成本低、组网灵活、受地理环境限制少等优点，在许多领域都展示了广阔的应用前景。ZigBee技术利用全球共用的公共频率2．4GHz，具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监控网络最有前景的技术之一。与传统无线技术相比(见表1)，ZigBee的特点主要表现以下几个方面：

(1)低功耗。待机模式，2节AAA干电池可支持1个节点工作0．5"1年。

(2)低成本。协议大幅简化，免执照频段，免协议专利费。

(3)低速率。250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始数据吞吐率。

(4)近距离。传输范围为10～75m，提高RF发射功率，可增加到1～3km。

(5)网络容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet，可组成65000个节点大网。

(6)短时延。ZigBeen响应速度快，睡眠转入工作状态需15ms，节点连接入网需30ms。

(7)安全性能高。提供三级安全模式：无安全设定、接入控制清单(ACL)、防止非法获取数据及采用AES－128对称密码。



2 系统总体方案

加速度传感器、载荷传感器定时收集各井口的示功参数，在ARM处理器控制下，通过ZigBee无线模快，在IEEE802．15．4技术标准的支持下，由ZigBee网络发送到ZigBee路由器和ZigBee协调器，经卫星或GPRS网络将数据发送至控制中心，及时掌握采油现场的工作参数，实现数据的汇总、整理与分析，并及时对终端下达控制命令，调整生产。

该系统分数据采集终端、Zi gBee无线路由器、ZigBee／WN协调器、控制中心四个部分。油田监测系统架构如图1示。 图一油田监控系统架构



系统由三级WN组成，结构简单、性能稳定、易于实现。低功耗为该系统突出表现。ZigBee无线网络采用的是2．4GHz频段。该频段为全球统一无需申请的ISM频段。该频段(2．4"2．483GHz)被划为16个信道，数据传输速率250kb／s，码元速率为62．5kbaud，采用16进制正交调制，用码片长度为8的伪随机码直接扩频。GPRS传输速度为56"115Kb／s。与GPRS网络结合使用，可以满足ZigBee网络传输数据的需求，可以减少系统建设初期的投资费用，减轻网络运行维护工作量，使油井示功参数及时、准确地传送至监控中心。系统通过ZigBee和GPRS两种无线网络的连接，实现实时监控，对油田出现的问题及时发现和处理。

3 无线传感器网络建立

本文充分对比了StarNet、MeshNet和CluterTreeNet各自的优缺点，选用树型无线自组网络(Ad HocNet)，采用CSMA-CA方式进行信道存取，各ZigBee传输模块通过多次跳频技术数据传输方式，具有较好的信息隐蔽性、抗多频干扰性和自愈性，并增大网络的覆盖范围。实现对油井示功参数的采集、传输及监控。

树型无线传感器网络中，自终端设备和网络协调器建立后，终端设备被分配一16位短地址，此后终端就用这地址在无限个域网中通信。主协调器首先启动建立ZigBee个域网，选择ZigBee个域网标识符，自身短地址设为0，然后向其邻近设备发送信标，接受其他网络链接，成为第一级网络。与主协调器建立了连接的设备都分配一16位的网络地址。路由器根据其收到的协调器的信标的信息，配置并发送其自己的信标，允许其他设备与其建立连接，形成从设备--数据采集终端的第二级网络。GPRS网络将数据发送至监控中心，形成三级网络的信息数据链路。

4 硬件设计

4．1 硬件组成及功能

系统硬件由数据采集传感器、控制器、无线RF收发、存储、电源、GPRS接收、监控中心七个模块组成。传感器模块由载荷传感器、加速度传感器ADX105构成，功能是用来收集油井现场的示功信息；控制器模块为嵌入式系统ARM处理器，功能是进行数据的处理、功耗管理、同步定位、任务管理等操作；无线RF收发模块是由Phipcon公司开发的CC2420RF芯片，功能是与其他RF模块通信，传输油田现场的示功参数和控制信息；存储模块采用Samsung公司生产的NAND型FLASH存储器K9F2808UOC，容量为8～128MB，负责数据存储；电源模块分为两类：一类是高容量锂电池；另一类是变直之后的交流电源(硬件电路如图2所示)。GPRS收发模块A-232／485GPRSDTU负责GPRS通信链路的信息传递，将示功参数送至监控中心；监控中心模块负责数据收集、整理与分析，并反馈控制命令。