ZigBee无线传感器网络技术在油田信息采集系统中的

随着“数字油田”建设的不断推进，油田信息化建设得到了很大发展。各种生产信息系统的建立极大地方便了技术人员的日常工作，提高了安全生产的效率。数据自动化采集、信息处理将是建设“数字油田”乃至“智能油田”的必然趋势。近些年，各种无线传感器网络和无线传输技术发展日趋成熟，为油田信息系统建设提供了又一种行之有效的技术手段。

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术是利用布置在无人值守的监控区域内具有通信和运算能力的传感器节点，自主完成对检测对象的信息采集、感知等指定任务的技术。无线传感器网络是集传感器技术、通信技术、嵌入式计算和分布式处理技术为一体，特别适合于油田点多面广的应用场合。

1 系统网络结构

以油田A为例，需为生产设备相对集中的“井群”设计无线传输方案。如图1，湖滩分布着69口油井(浅黄色标记)和21口注水井(深绿色标记)。

针对现场需求和ZigBee无线传感器网络技术，考虑将温压仪、示功仪、双压仪节点作为“终端(End Device)”，负责采集信息以监控油田生产设备，用电池供电;中转节点作为“路由(Router)”转发网络中的信息;“协调器(Co-ordinator)”则安装在各区块的平台上，并通过终端机与队部中控室通信。路由和协调器均由市电供电。这样就将5个油井区块划分为5个协调器短地址不同的ZigBee网络。主站(协调器)负责启动网络，所有终端通过路由接入网络，组成树状或网状结构。上位机通过主站及其网络便可实现命令的下发和数据的读取。

通过Google Earth和现场测量，一般油井之间的距离在50米至100米。经测试，ZigBee节点间较大数据量(功图数据，约为1 KB)的最大稳定通信距离在50米左右，距离越远传输效果越差，且通信时节点传输信道之间须尽可能无遮挡。因此可靠传输的关键在于“路由”型节点的合理布置。同时需解决两个问题：一是因现场比较空旷，要保证“路由”型节点的安装位置能提供可靠供电并满足防汛要求;二是在软件设计上，经过“路由”型节点透明传输的数据一旦丢失，则无法通过协议栈捕获，而必须在数据接收端由上位机来判断。

基于上述考虑，温压仪、示功仪、双压仪作为“终端”节点，中转节点由原来的“路由”节点改为“协调器”，并与电量仪一起安装在油井平台的电机控制柜中。即每个油井平台使用(或多个共用)一个中转节点，每个中转节点即代表一个独立的个人局域网(PAN)，其附近的终端型节点为其子节点。中转节点又作为网关，以433 MHz无线方式与主站(433 MHz数传模块)进行通信，当然5个区块的433 MHz频道各不相同，每个区块作为一个独立的网络，各网络间互不干扰。

基于Zigbee无线传感器网络的智能油田信息采集系统网络结构如图2所示。

2 系统硬件设计

2.1 传感器(终端)节点

综合节点设计的各种需求，选择Jennic的JN5139模块作为节点的主控芯片，它是一款适用于IEEE802.15.4和ZigBee应用环境的低功耗、低成本微控制器，集成了32位RISC处理器(32MIPS)、2.4 GHz IEEE802.15.4无线收发器、192 kBROM、96kB RAM以及丰富的模拟数字外围接口。节点硬件结构如图3所示。

传感器模块包括传感器和信号调制电路，示功仪传感器为加速度ADXL202和载荷CL—YB—10M/15t，温压仪包括温度PT100和压力Honey well C13L型传感器，双压仪的压力传感器同样选择Honeywell C13系列。“示功仪采集的载荷”(或压力)、“温压仪采集的温度和压力”以及“双压仪需要采集的压力”对应的四种传感器的原理基本相同，基本电路都是带有特殊(热敏或压敏)电阻的电阻桥，由物理量变化引发电阻变化，导致电路输出电压的变化，输出电压视传感器从几毫伏到上百毫伏不等。JN5139芯片带有4路12位ADC通道，对应的模拟电压值范围为0～2.4 V。传感器到芯片ADC引脚之间用运算放大器对电压信号进行放大，合理调节放大倍数，使得运放输出的电压在2.2 V左右，即留有一定裕量。时钟模块选用DS1302芯片，根据其时间值，程序发起采集和记录数据。电源模块也视节点而不同——终端节点包括4 000 mAh锂电池、太阳能板及其充电电路。

2.2 中转节点

中转节点配有与传感器节点相同的主控芯片，具有IEEE802.15.4协议规定的所有功能与特性，负责建立网络、管理传感器节点、储存传感器节点信息，为消息进行路由选择等功能。另外增加无线串口通信模块与管理控制中心进行通信，中转节点硬件结构如图4所示。

中转节点通过电量仪设备读取电机的电参量，由AC220V供电，433 MHz串口透传模块使用SM55D无线串口通信模块。与电量仪采用RS485接口进行数据通信。JN5139模块有两路UA