基于ZigBee技术的油田示功参数监控系统

0 引言
    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。

4．2 硬件各模块及功能
    ZigBee技术支持两种类型的物理设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。油井现场参数采集终端是网络中通信要求最低的部分，结构和功能简单，用电池供电，大多处于睡眠状态，以最大程度地节约电能，数据采集终端的通信模块采用RFD；ZigBee路由器具备数据的存储和收发能力、路由发现能力，从设备的连接、路由表的维护、数据的转发，到维护网络的链路等功能，采用FFD；ZigBee协调器始终处于工作状态，是网络的核心，除完成路由器的功能外，还有制定网络规则，选择合适信道，建立网络并下发地址的功能，采用FFD。
    采集终端(电路框图如图3所示)，CC2420通过SPI总线连接到ARM芯片的P1．0~P1．7接口。高容量电池作为终端模块的电源，通过LD0低压差线性稳压器AM11 17-3．3为传感器模块、RF模块、MCU／ARM7提供3．3V左右电压。ARM芯片需3．0～3．6V(3．3V±10％)，CC2420需2．0～3．6V。电源功率指示灯显示电源电压。声光报警单元对异常情况报警。晶振电路使ARM7与RF模块同步通信。ZigBee路由器模块框图如图4所示。

    ZigBee协调器硬件电路在MCU右端接A-232／485GPRS／DTU，电源要求4．5～35V。供电电源采用电源线供电(将220V交流电经过整流、稳压、滤波电路转换成5V直流。ZigBee协调器模块框图如图5所示。

    采集终端、路由器和协调器都有FLASH存储器，系统在意外情况下，可海量存储采集到的数据，防止数据丢失。终端和路由器采用锂电池供电，协调器部分采用电源线供电，增强了电源模块的稳定性。

5 软件设计
    软件部分由监控中心、ZigBee协调器通信、ZigBee路由通信、数据采集终端ZigBeeRF模块中的收发模块通信、系统初始化程序(如图6所示)和信息采集终端等程序模块组成。

    监控中心程序负责对整个网络的管理与控制，包括无线传感器节点的MCU、RF收发、数据采集、状态检测、数据处理、以及对连接到节点的设备的控制(主程序如图7所示)；ZigBee无线通信模块程序负责数据无线收发，包括RF和基带两部分，前者提供数据通信的空中接口，后者提供链路的物理信道和数据分组；ZigBee路由器及协调器通信程序负责链路管理与控制，执行基带通信协议和相关处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。采集终端程序及协调器程序分别如图8、9所示。

    软件设计分数据采集、数据信息传递和监控中心三个层次，其运行于数据采集和信息传递之间的程序采用C++Builder6．0或汇编语言实现控制程序语言编写，经过ARM编译系统生成执行程序。监控中心软件由Vi sualBasic6．0开发，数据采用SQLServer数据库存储。IEEE802．15．4／ZigBee开发系统采用无线谷C51RF-3-ZMD2。软件采用结构化设计，便于完善和维护，同时做到界面美观，操作简便。

6 系统低功耗设计
    在ZigBee的网络节点中，只有考虑到MCU的功耗问题，才能真正做到节能降耗，ZigBee低功耗特点才能凸显出来。CC2420在睡眠模式，发射功率只有10mW。发射模式下电流消耗为17mA，接收模式下为15mA，睡眠模式下为0．7 μ A。其设备可大多时间进入睡眠状态，周期性醒来。睡眠模式下，收发电路关闭，极大限度减少功耗，醒来时通过检查信道，与协调器同步，发送或接收数据。ARM芯片支持两种节电模式：空闲模式和掉电模式。掉电模式，振荡器关闭，处理器状态和寄存器、外设存器及内部SRAM值被保持。复位或特定的不需要时钟仍能工作的中断，可终止掉电模式并使芯片恢复正常运行。
    本文通过软件控制，ARM芯片与CC2420间歇性地工作在接收状态。不接收数据时，芯片CC2420处于睡眠模式，ARM芯片处于掉电模式(功耗几乎为零)，可大大减少系统的功耗。MCU通过外部中断(CC2420的32kHz晶振的休眠模式定时器产生的外部中断EINT3，15引脚)退出掉电模式，继续工作。从而延长电池寿命，达到节能目的。

7 结束语
    ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性的双向微功率网格式无线接入技术。集成了计算机技术、传感器技术、无线宽带通信技术、数字控制技术等诸多学科的技术。ZigBee技术与ARM技术结合使用，实现了油田信号传输的无线化，频谱利用高效化，生产信息化。在当今频谱资源日益紧张，组网成本居高不下的情况下，深入研究ZigBee WSN具有深远的意义。