劉艷榮

摘要：對于現(xiàn)代石油鉆井的分布比較廣，并且環(huán)境較為惡劣的情況，本文實(shí)現(xiàn)井場設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完善目前鉆井測量參數(shù)有線傳輸可移動(dòng)性較差的問題。本文對系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架進(jìn)行分析，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)視域中實(shí)現(xiàn)井場設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用AdHoc網(wǎng)絡(luò)模式節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測試，包括數(shù)據(jù)收集及無線傳輸功能，表示系統(tǒng)使用效果良好。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);井場設(shè)備;遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）01-0250-03

在現(xiàn)代通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，促進(jìn)了油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。在油田早期開采過程中，并沒有使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控，而是使用人工方式實(shí)現(xiàn)檢測，不僅浪費(fèi)時(shí)間，還浪費(fèi)精力，而且數(shù)據(jù)的時(shí)效性比較差。在工業(yè)自動(dòng)化不斷發(fā)展的過程中，油田設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也逐漸被研發(fā)，提高了油田管理及生產(chǎn)的可靠性及高效性。目前現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)控制方面使用，但是油田分布在野外，并且位置較為分散，如果使用有線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，要鋪設(shè)較長電纜，具有較高的成本，并且電纜還比較容易損壞及老化，后期維護(hù)需要大量的資金?；诖?，本文就使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井場設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以此提高現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行的可靠性及油田生產(chǎn)安全性。

1系統(tǒng)的整體性設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無線傳感器為基礎(chǔ)的井場設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在油井、油田等無人值守環(huán)境中使用，要求其對捕獲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且還要具有中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及分析。另外，現(xiàn)場數(shù)據(jù)要在遠(yuǎn)方監(jiān)控顯示器中進(jìn)行展現(xiàn)，從而供工作人員進(jìn)行查看，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題并且處理。所以系統(tǒng)主控機(jī)房尤為重要。以此，以功能需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)部分節(jié)點(diǎn)相互連接，在實(shí)踐中得到滿意效果及性能。其次，系統(tǒng)中的中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)及收集節(jié)點(diǎn)要利用無線方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無線傳輸使用WiFi或者ZigBee實(shí)現(xiàn)。其主要區(qū)別就是傳輸帶寬及功耗方面。ZigBee的功耗比較低，但是數(shù)據(jù)傳輸速率也比較低。但是WiFi具有較高的傳輸速率，但是其能耗也比較高。對于特殊應(yīng)用需求，在傳感器網(wǎng)絡(luò)控制信息及少量數(shù)據(jù)傳輸過程中使用ZigBee，在視頻、圖片等密集傳輸過程中使用WiFi。在某情況中，ZigBee及WiFi能夠同時(shí)使用，從而使指定設(shè)計(jì)需求得到滿足[1]。圖1為系統(tǒng)的整體架構(gòu)。

1.1系統(tǒng)功能需求

從整體方面分析，系統(tǒng)屬于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能收集、無線傳輸、實(shí)時(shí)記錄及計(jì)算機(jī)分析等。遠(yuǎn)程收集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送的命令，從而實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展，其節(jié)點(diǎn)功能需求為：

其一，采樣節(jié)點(diǎn)。收集參數(shù)并且識(shí)別狀態(tài)，利用傳感器實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的收集，比如溫度、濕度及氣體的密度等。狀態(tài)識(shí)別主要包括現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，從而對設(shè)備是否運(yùn)行進(jìn)行判斷，假如設(shè)備在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，就要對主控機(jī)房進(jìn)行反應(yīng)，及時(shí)使用處理對策。

其二，監(jiān)控中心。實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆機(jī)設(shè)備的運(yùn)行情況，石油鉆井人員利用主控機(jī)房顯示器實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)等設(shè)備工作情況的實(shí)時(shí)檢測，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行故障要及時(shí)使用策略進(jìn)行處理。

其三，中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)。處理數(shù)據(jù)并且傳輸，利用采樣節(jié)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)朝著容易理解數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，所以要求節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)處理的功能。另外，數(shù)據(jù)傳輸使原始或者處理之后的數(shù)據(jù)利用無線，到主控房傳輸并且存儲(chǔ)[2]。

1.2系統(tǒng)功能模塊

通過分析上述節(jié)點(diǎn)功能，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能模塊的設(shè)計(jì)。包括參數(shù)檢測和收集模塊、主控房中心控制模塊、中心服務(wù)接待女?dāng)?shù)據(jù)處理等模塊。參數(shù)收集模塊包括傳感器，中心控制模塊對某時(shí)間使用哪個(gè)模塊進(jìn)行決定。

2系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)

此節(jié)點(diǎn)在抽油機(jī)設(shè)備中設(shè)置，收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并且逐級(jí)地對上面進(jìn)行傳輸。充分考慮實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性，此電路設(shè)計(jì)包括無線通信、處理器、供電及傳感器四個(gè)模塊，圖2為ZigBee節(jié)點(diǎn)的原理[3]。為了能夠有效節(jié)約成本，集成控制器及無線收發(fā)器作為JN5139模塊，此模塊包括32位RISC核，其中還內(nèi)嵌滿足需求的無線收發(fā)器件，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用提供低成本解決方案。傳感器模塊以設(shè)計(jì)的需求選擇合適傳感器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同傳感器的選擇，從而滿足不同監(jiān)測點(diǎn)的需求。傳感器節(jié)點(diǎn)使用定時(shí)喚醒間歇工作方式，定時(shí)將傳感器節(jié)點(diǎn)從休眠狀態(tài)喚醒朝著數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)變，并且對路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送，之后進(jìn)入到休眠狀態(tài)[4]。

2.2監(jiān)控中心電路設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心利用GPRS模塊得到檢測數(shù)據(jù)，利用RS232接口到監(jiān)控中心PC機(jī)中傳輸。此部分電路設(shè)計(jì)指的是MC55模塊利用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口連接數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)。MC55模塊串口邏輯電平屬于+2.65V，能夠和PC串口電平相互匹配，使用電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1基站軟件的設(shè)計(jì)

局域網(wǎng)絡(luò)中的主基站屬于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)自身初始化，并且創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，使基站作為路由器到網(wǎng)絡(luò)中融入，創(chuàng)建星行網(wǎng)絡(luò)[5]?；境绦蛟O(shè)計(jì)功能主要包括：

其一，數(shù)據(jù)收集。全部的ZigBee模塊收集儀表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)繼電器狀態(tài)信息的讀取，在RAM中存儲(chǔ)。之后，主基站對從基站輪詢，被詢問的從基站利用ZigBee協(xié)議使收集的數(shù)據(jù)和自身短地址對主基站進(jìn)行發(fā)送，根據(jù)基站段地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。最后，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)主基站的輪詢，被詢問的主基站使集中的數(shù)據(jù)和自身ZigBee局域網(wǎng)地址通過Modbus協(xié)議，利用GPRS對上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送。上位機(jī)以ZigBee局域網(wǎng)地址和短地址實(shí)現(xiàn)不同基站的區(qū)分，實(shí)現(xiàn)基站數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ)和展現(xiàn)。

其二，電機(jī)控制。上位機(jī)利用Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)對主基站實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送，通過主基站對基站下達(dá)，以此對基站繼電器動(dòng)作進(jìn)行控制，有效控制油井抽油機(jī)[6]。

3.2串口通信程序設(shè)計(jì)

串口通信程序主要包括串口初始化函數(shù)、從串口讀數(shù)據(jù)函數(shù)、向出口寫數(shù)據(jù)函數(shù)，并且使CC2430中的PO2及PO3實(shí)現(xiàn)UART模式的配置。在實(shí)現(xiàn)串口讀寫數(shù)據(jù)以前，要實(shí)現(xiàn)串口屬性的配置，設(shè)置串口波特率為19200bps，八位數(shù)據(jù)為，一位停止位，在相應(yīng)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)串口初始化。

節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)命令之后，通過函數(shù)使數(shù)據(jù)到串口中發(fā)送。讀取串口數(shù)據(jù)，使用串口中段方式實(shí)現(xiàn)出發(fā)，利用調(diào)整函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)事件的發(fā)送，對應(yīng)用層通知，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)后續(xù)處理。

3.3計(jì)算機(jī)通信程序

示功儀及其他傳感器都設(shè)置了無線傳輸模塊，系統(tǒng)相互連接的方式主要為PC機(jī)與RTU利用無線或者有線網(wǎng)絡(luò)相互連接，RTU利用無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，示功儀屬于傳感器組的網(wǎng)關(guān)，自身使用加速度及載荷傳感器數(shù)值，并且還實(shí)現(xiàn)溫度、壓力傳感器及電量的接收及存儲(chǔ)，之后通過處理對RTU進(jìn)行發(fā)送。

其一，計(jì)算機(jī)對傳感器發(fā)送指令的時(shí)候，PTU的工作流程為：兩者利用網(wǎng)線相互連接，通過TCP創(chuàng)建通訊鏈路。RTU利用PC機(jī)TCP端口的監(jiān)聽，得到PC機(jī)中發(fā)送的數(shù)據(jù)包，之后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的解析。假如數(shù)據(jù)包為報(bào)警應(yīng)答，那么就對傳感器直接發(fā)送。假如數(shù)據(jù)包為收集數(shù)據(jù)命令，那么對命令幀進(jìn)行重新組織，之后對傳感器進(jìn)行發(fā)送。假如發(fā)送失敗，那么PC機(jī)就會(huì)重新發(fā)送，直到成功發(fā)送。然后RTU就會(huì)對TCP繼續(xù)監(jiān)聽[7]。圖3為PC機(jī)對傳感器發(fā)送相應(yīng)指令。

其二，在傳感器接收到PC命令之后，RTU的工作流程為：發(fā)送數(shù)據(jù)包包括應(yīng)答數(shù)據(jù)包及采集數(shù)據(jù)包。PC對傳感器發(fā)送休眠、采集數(shù)據(jù)及喚醒三種命令，并且傳感器還會(huì)對PC機(jī)恢復(fù)采集數(shù)據(jù)包、喚醒應(yīng)答及休眠應(yīng)答。傳感器在對PC機(jī)響應(yīng)的過程中，RTU對串口實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括串口是否具有傳感器利用無線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送，假如接收數(shù)據(jù)信息，對此數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。假如數(shù)據(jù)包為非法數(shù)據(jù)，丟棄繼續(xù)監(jiān)聽。假如數(shù)據(jù)包為合法數(shù)據(jù)，對其是否為應(yīng)答數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，假如是，將此數(shù)據(jù)包丟棄，假如不是，那么此數(shù)據(jù)包就為傳感器收集數(shù)據(jù)包，利用TCP端口對PC機(jī)進(jìn)行發(fā)送。

3.4無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊過程中，使用Nodic公司的VLSI技術(shù)，其能夠提供高速數(shù)據(jù)傳輸，并且不需要昂貴高速M(fèi)CU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。利用使和RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)在芯片中處理，其能夠?yàn)閼?yīng)用提供微控制器SPI接口，速率通過微控制器設(shè)置。在ShockBirst模式中，地址匹配及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒信號(hào)通知MCU有效地址及數(shù)據(jù)包各自接收完成。能夠使MCU存儲(chǔ)器需求降低，并且降低成本，縮短軟件開發(fā)的時(shí)間[8]。

4結(jié)束語

在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，油田勘探開發(fā)管理等領(lǐng)域一體化、現(xiàn)代化管理進(jìn)程不斷推進(jìn)的過程中，采油隊(duì)信息化建設(shè)也逐漸成熟。本文實(shí)現(xiàn)了無人值守基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的石油鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用使用Wifi模塊進(jìn)行無線傳輸，不僅具有足夠?qū)拵В€能夠使系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線傳輸功耗降低。通過實(shí)際使用表示，系統(tǒng)反應(yīng)良好，能夠滿足石油鉆井工程現(xiàn)場參數(shù)收集和分析處理，對生產(chǎn)工況集中監(jiān)視也非常有利，方便現(xiàn)場人員的操作。

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