油田井場監(jiān)測中數據通信技術的應用論文
1監(jiān)測數據通信系統總體設計
系統主要由三部分組成：其中現場傳感器節(jié)點是采集井場工況參數數據的核心設備，采用ZigBee技術，由ZigBee組成網絡終端節(jié)點進行數據采集。終端設備可以通過軟件協調分時連接至多個路由設備從而與整個網絡通信。系統總體框圖如圖1所示。網絡拓撲結構如圖2所示，傳感器節(jié)點具有本地數據采集傳輸和路由功能，其目的是為了實現數據的采集、融合和轉發(fā)，對采集到的數據和接收到的其他傳感器節(jié)點發(fā)送來的數據進行綜合，再轉發(fā)到協調器節(jié)點。網絡的中心是協調器節(jié)點，它具有網絡協調、網關功能，主要負責建立一個網絡并允許傳感器節(jié)點的加入，連接外部的通信設備，協調器節(jié)點通常連接到PC機或者使用其他方式（如Internet、移動通信網絡和衛(wèi)星等）與外界通信。系統可應用于井場內距離在ZigBee傳輸范圍內的多個機井，通過改變網絡拓撲結構，增加網絡中路由節(jié)點，使單井數據可以轉發(fā)即可。整個系統構建模式層面清晰，易于維護管理，減少了線路布設，降低了線纜鋪設費用，也降低了現場安裝工序的復雜程度，避免了工作狀態(tài)下線纜損壞而帶來的設備故障。GPRS通信終端數目的減少有效降低了設備運營產生的通信費用。自組織性能大大提高了數據傳輸能力，系統可移植性及可擴充性增強。
2系統硬件設計
2．1現場傳感器節(jié)點設計
在系統終端采集節(jié)點功能簡單、結構精簡，采用蓄電池供電，應用CC2430內部定時時鐘產生中斷對其予以喚醒，多數時間終端節(jié)點處于睡眠模式，這種工作模式能夠最大程度節(jié)約電能。該器件對電源敏感性要求相對不高，故電源模塊選用蓄電池為節(jié)點供電，以達到方便、便攜的目的。系統主要有兩個電源電路，一路5V電源為傳感器供電，一路3．3V電源為無線模塊供電。5V電源模塊選用一款1．25A的大電流、高精度、低壓差的LM2940芯片，工作時靜態(tài)電流低至240μA。
2．2節(jié)點傳感器模塊
現場傳感器節(jié)點被安裝在被監(jiān)控對象上，采集抽油機井的載荷、位移等參量，為實現載荷、位移及電參數的實時采集，并與控制器及上位機監(jiān)控系統進行通訊和實時傳輸。節(jié)點傳感器模塊主要包括：主電機參數檢測；減速器參數檢測與故障判斷；游梁位移傳感器檢測；曲柄角速度檢測；抽油機載荷檢測。
2．3網絡協調器節(jié)點（網關節(jié)點）設計
網關節(jié)點的功能包括建立網絡、無線收發(fā)數據等。系統設計匯總網關包含ZigBee無線網絡的協調器，即網絡的建立者，主要負責ZigBee和GPRS的雙向數據、轉換協議。協調器節(jié)點（網關節(jié)點）一直保持工作狀態(tài)，偵聽監(jiān)測網絡，執(zhí)行各協議層的任務，隨時處理采集終端節(jié)點關聯、解關聯以及數據幀發(fā)送、接收請求等。各終端采集節(jié)點通過協調器與GPRS網絡校對時，使得網絡時間同步。通過GPRS網絡將數據發(fā)送回上位機監(jiān)控室。ZigBee網絡中協調器與GPRS模塊之間通過串口連接，協調器將從終端子節(jié)點傳感器采集的數據匯聚后再傳至GPRS模塊內，通過內部的TCP／IP協議將數據打包封裝后發(fā)送至SGSN進而與GGSN溝通后，井場SGSN將數據包傳送到上位機監(jiān)控中心。網關經過ZigBee網絡周期性采集抽油機井工況數據，再通過GPRS模塊實時地傳送至監(jiān)測室中，監(jiān)測中心接收到現場上傳來的數據后，通過內部網Intranet與管理終端實現共享。
2．4遠程監(jiān)測中心
遠程監(jiān)測中心是一個服務器，服務器上運行著上位機軟件，當遠程監(jiān)測中心接受到無線傳感器網絡采集的數據后，該軟件可圖形化顯示遠程油田上的數據。
3系統軟件設計
ZigBee節(jié)點的軟件設計開發(fā)是在IAR、PacketSniffer、SmartRF04、FlashProgrammer等軟件開發(fā)環(huán)境的聯合使用過程中進行的，主要是完成節(jié)點網絡的建立與維護、各工礦數據的采集處理、采集數據的實時傳輸等功能。傳感器通過ZigBee把采集到的數據傳輸到協調器。每一個單獨節(jié)點上裝載有載荷傳感器和角位移傳感器，傳感器節(jié)點采用命令工作的方式對數據進行采集。
3．1數據采集程序設計
采集時刻到來時，傳感器節(jié)點首先要打開傳感器開關，待傳感器工作穩(wěn)定以后，系統工況數據采集流程圖采集得到的模擬電壓值將會被送入到AD口轉換成數字量。本系統使用的是CC2530內部集成的AD轉換器，此AD轉換器支持14位的模擬數字轉換，具有多達12位的ENOB，包括一個模擬多路轉換器，8個各自可配置的通道，可接受單端或者差分信號，以及擁有一個參考電壓發(fā)生器。ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD轉換控制寄存器2）、ADCCON3（單通道AD轉換控制器2）、ADCL（ADC數據低位）、ADCH（ADC數據高位）。
3．2數據傳輸程序設計
傳感器節(jié)點直接與協調器節(jié)點進行通信，該過程中傳感器節(jié)點一直處于休眠狀態(tài)。協調器節(jié)點組網完成后，開始發(fā)送廣播幀通知覆蓋所有傳感器節(jié)點，組建網絡。協調器接收到傳感器的入網命令后，要將此傳感器節(jié)點的IEEE地址保存下來，并立即向傳感器節(jié)點發(fā)送響應幀，允許此傳感器節(jié)點加入該網絡，協調器節(jié)點將一直進行組網操作，直至整個超幀完結。
3．3網關節(jié)點工作流程
網關節(jié)點中ZigBee網絡協調器主控器將采集的工況數據通過RS－232串口傳送GPRS模塊，GPRS模塊內置TCP／IP協議會將數據打包發(fā)送至SGSN，進而與GGSN通信溝通后對數據進行處理后，經SGSN發(fā)送至監(jiān)測中心。網關節(jié)點工作流程圖如圖5所示。
4結論
在單井區(qū)范圍局域內內引入ZigBee技術，由終端節(jié)點傳感器采集監(jiān)測抽油機工作情況的各個參量，進行數據采集傳輸，廣域上采用GPRS的兩層傳輸網絡架構，數據包經由GPRS網絡進行統一遠程傳輸至Internet，很大程度上能提高數據的集中化管理和互通。該設計融合了兩種無線傳輸手段的優(yōu)勢，搭建的網絡結構具有傳輸可靠性高、抗干擾性能強、網絡結構簡單明了等優(yōu)點，可以自動管理、組網靈活、具有較強的可擴展性，經濟性能高，在油田井場抽油機工況實時監(jiān)控方面具有廣闊的應用前景。
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