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" title="ZigBee">ZigBee技術(shù)應(yīng)用在油田監(jiān)控" title="油田監(jiān)控">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(jì)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)" title="無線傳感網(wǎng)絡(luò)">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?？欤贗EEE802．15．4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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控,，對油田出現(xiàn)的問題及時發(fā)現(xiàn)和處理,。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立

    本文充分對比了StarNet,、MeshNet和CluterTreeNet各自的優(yōu)缺點(diǎn)，選用樹型無線自組網(wǎng)絡(luò)(Ad HocNet),，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道存取,，各ZigBee傳輸模塊通過多次跳頻技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸方式，具有較好的信息隱蔽性,、抗多頻干擾性和自愈性,，并增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。實(shí)現(xiàn)對油井示功參數(shù)的采集,、傳輸及監(jiān)控,。

    樹型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，自終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立后,，終端設(shè)備被分配一16位短地址,，此后終端就用這地址在無限個域網(wǎng)中通信。主協(xié)調(diào)器首先啟動建立ZigBee個域網(wǎng),，選擇ZigBee個域網(wǎng)標(biāo)識符,，自身短地址設(shè)為0，然后向其鄰近設(shè)備發(fā)送信標(biāo),，接受其他網(wǎng)絡(luò)鏈接,，成為第一級網(wǎng)絡(luò)。與主協(xié)調(diào)器建立了連接的設(shè)備都分配一16位的網(wǎng)絡(luò)地址,。路由器根據(jù)其收到的協(xié)調(diào)器的信標(biāo)的信息,，配置并發(fā)送其自己的信標(biāo)，允許其他設(shè)備與其建立連接,，形成從設(shè)備--數(shù)據(jù)采集終端的第二級網(wǎng)絡(luò),。GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，形成三級網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)鏈路,。

4 硬件設(shè)計(jì)

4．1 硬件組成及功能

    系統(tǒng)硬件由數(shù)據(jù)采集傳感器,、控制器、無線RF收發(fā),、存儲,、電源、GPRS接收,、監(jiān)控中心七個模塊組成,。傳感器模塊由載荷傳感器,、加速度傳感器ADX105構(gòu)成,，功能是用來收集油井現(xiàn)場的示功信息；控制器模塊為嵌入式系統(tǒng)ARM處理器,，功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,、功耗管理,、同步定位、任務(wù)管理等操作,；無線RF收發(fā)模塊是由Phipcon公司開發(fā)的CC2420RF芯片,，功能是與其他RF模塊通信，傳輸油田現(xiàn)場的示功參數(shù)和控制信息,；存儲模塊采用Samsung公司生產(chǎn)的NAND型FLASH存儲器K9F2808UOC,，容量為8～128MB，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲,；電源模塊分為兩類：一類是高容量鋰電池,；另一類是變直之后的交流電源(硬件電路如圖2所示)。GPRS收發(fā)模塊A-232／485GPRSDTU負(fù)責(zé)GPRS通信鏈路的信息傳遞,，將示功參數(shù)送至監(jiān)控中心,；監(jiān)控中心模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、整理與分析,，并反饋控制命令,。

4．2 硬件各模塊及功能

    ZigBee技術(shù)支持兩種類型的物理設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。油井現(xiàn)場參數(shù)采集終端是網(wǎng)絡(luò)中通信要求最低的部分,，結(jié)構(gòu)和功能簡單,，用電池供電，大多處于睡眠狀態(tài),，以最大程度地節(jié)約電能,，數(shù)據(jù)采集終端的通信模塊采用RFD；ZigBee路由器具備數(shù)據(jù)的存儲和收發(fā)能力,、路由發(fā)現(xiàn)能力,，從設(shè)備的連接、路由表的維護(hù),、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),，到維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的鏈路等功能，采用FFD,；ZigBee協(xié)調(diào)器始終處于工作狀態(tài),，是網(wǎng)絡(luò)的核心，除完成路由器的功能外,，還有制定網(wǎng)絡(luò)規(guī)則,，選擇合適信道，建立網(wǎng)絡(luò)并下發(fā)地址的功能,，采用FFD,。

    采集終端(電路框圖如圖3所示)，CC2420通過SPI總線連接到ARM芯片的P1．0~P1．7接口,。高容量電池作為終端模塊的電源,，通過LD0低壓差線性穩(wěn)壓器AM11 17-3．3為傳感器模塊,、RF模塊、MCU／ARM7提供3．3V左右電壓,。ARM芯片需3．0～3．6V(3．3V±10％),，CC2420需2．0～3．6V。電源功率指示燈顯示電源電壓,。聲光報警單元對異常情況報警,。晶振電路使ARM7與RF模塊同步通信。ZigBee路由器模塊框圖如圖4所示,。

    ZigBee協(xié)調(diào)器硬件電路在MCU右端接A-232／485GPRS／DTU,，電源要求4．5～35V。供電電源采用電源線供電(將220V交流電經(jīng)過整流,、穩(wěn)壓,、濾波電路轉(zhuǎn)換成5V直流。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊框圖如圖5所示,。

    采集終端,、路由器和協(xié)調(diào)器都有FLASH存儲器，系統(tǒng)在意外情況下,，可海量存儲采集到的數(shù)據(jù),，防止數(shù)據(jù)丟失。終端和路由器采用鋰電池供電,，協(xié)調(diào)器部分采用電源線供電,，增強(qiáng)了電源模塊的穩(wěn)定性。

5 軟件設(shè)計(jì)

    軟件部分由監(jiān)控中心,、ZigBee協(xié)調(diào)器通信,、ZigBee路由通信、數(shù)據(jù)采集終端ZigBeeRF模塊中的收發(fā)模塊通信,、系統(tǒng)初始化程序(如圖6所示)和信息采集終端等程序模塊組成,。

    監(jiān)控中心程序負(fù)責(zé)對整個網(wǎng)絡(luò)的管理與控制，包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)的MCU,、RF收發(fā),、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測,、數(shù)據(jù)處理,、以及對連接到節(jié)點(diǎn)的設(shè)備的控制(主程序如圖7所示)；ZigBee無線通信模塊程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)無線收發(fā),，包括RF和基帶兩部分,，前者提供數(shù)據(jù)通信的空中接口，后者提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組；ZigBee路由器及協(xié)調(diào)器通信程序負(fù)責(zé)鏈路管理與控制,，執(zhí)行基帶通信協(xié)議和相關(guān)處理過程，包括建立鏈接,、頻率選擇,、鏈路類型支持、媒體接入控制,、功率模式和安全算法等,。采集終端程序及協(xié)調(diào)器程序分別如圖8、9所示,。

    軟件設(shè)計(jì)分?jǐn)?shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)信息傳遞和監(jiān)控中心三個層次，其運(yùn)行于數(shù)據(jù)采集和信息傳遞之間的程序采用C++Builder6．0或匯編語言實(shí)現(xiàn)控制程序語言編寫,，經(jīng)過ARM編譯系統(tǒng)生成執(zhí)行程序,。監(jiān)控中心軟件由Vi sualBasic6．0開發(fā)，數(shù)據(jù)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫存儲,。IEEE802．15．4／ZigBee開發(fā)系統(tǒng)采用無線谷C51RF-3-ZMD2,。軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，便于完善和維護(hù),，同時做到界面美觀,，操作簡便。

6 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

    在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中,，只有考慮到MCU的功耗問題,，才能真正做到節(jié)能降耗，ZigBee低功耗特點(diǎn)才能凸顯出來,。CC2420在睡眠模式,，發(fā)射功率只有10mW。發(fā)射模式下電流消耗為17mA,，接收模式下為15mA,，睡眠模式下為0．7 μ A。其設(shè)備可大多時間進(jìn)入睡眠狀態(tài),，周期性醒來,。睡眠模式下，收發(fā)電路關(guān)閉,，極大限度減少功耗,，醒來時通過檢查信道，與協(xié)調(diào)器同步,，發(fā)送或接收數(shù)據(jù),。ARM芯片支持兩種節(jié)電模式：空閑模式和掉電模式。掉電模式，振蕩器關(guān)閉,，處理器狀態(tài)和寄存器,、外設(shè)存器及內(nèi)部SRAM值被保持。復(fù)位或特定的不需要時鐘仍能工作的中斷,，可終止掉電模式并使芯片恢復(fù)正常運(yùn)行,。

    本文通過軟件控制，ARM芯片與CC2420間歇性地工作在接收狀態(tài),。不接收數(shù)據(jù)時,，芯片CC2420處于睡眠模式，ARM芯片處于掉電模式(功耗幾乎為零),，可大大減少系統(tǒng)的功耗,。MCU通過外部中斷(CC2420的32kHz晶振的休眠模式定時器產(chǎn)生的外部中斷EINT3，15引腳)退出掉電模式,，繼續(xù)工作,。從而延長電池壽命，達(dá)到節(jié)能目的,。

7 結(jié)束語

    ZigBee技術(shù)是一種結(jié)構(gòu)簡單,、低功耗、低數(shù)據(jù)速率,、低成本,、高可靠性的雙向微功率網(wǎng)格式無線接入技術(shù)。集成了計(jì)算機(jī)技術(shù),、傳感器技術(shù),、無線寬帶通信技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)等諸多學(xué)科的技術(shù),。ZigBee技術(shù)與ARM技術(shù)結(jié)合使用,，實(shí)現(xiàn)了油田信號傳輸?shù)臒o線化，頻譜利用高效化,，生產(chǎn)信息化,。在當(dāng)今頻譜資源日益緊張，組網(wǎng)成本居高不下的情況下,，深入研究ZigBee WSN具有深遠(yuǎn)的意義,。