油田井场监测中数据通信技术的应用

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1监测数据通信系统总体设计

系统主要由三部分组成：其中现场传感器节点是采集井场工况参数数据的核心设备，采用ZigBee技术，由ZigBee组成网络终端节点进行数据采集。终端设备可以通过软件协调分时连接至多个路由设备从而与整个网络通信。系统总体框图如图1所示。网络拓扑结构如图2所示，传感器节点具有本地数据采集传输和路由功能，其目的是为了实现数据的采集、融合和转发，对采集到的数据和接收到的其他传感器节点发送来的数据进行综合，再转发到协调器节点。网络的中心是协调器节点，它具有网络协调、网关功能，主要负责建立一个网络并允许传感器节点的加入，连接外部的通信设备，协调器节点通常连接到PC机或者使用其他方式（如Internet、移动通信网络和卫星等）与外界通信。系统可应用于井场内距离在ZigBee传输范围内的多个机井，通过改变网络拓扑结构，增加网络中路由节点，使单井数据可以转发即可。整个系统构建模式层面清晰，易于维护管理，减少了线路布设，降低了线缆铺设费用，也降低了现场安装工序的复杂程度，避免了工作状态下线缆损坏而带来的设备故障。GPRS通信终端数目的减少有效降低了设备运营产生的通信费用。自组织性能大大提高了数据传输能力，系统可移植性及可扩充性增强。

2系统硬件设计

2．1现场传感器节点设计

在系统终端采集节点功能简单、结构精简，采用蓄电池供电，应用CC2430内部定时时钟产生中断对其予以唤醒，多数时间终端节点处于睡眠模式，这种工作模式能够最大程度节约电能。该器件对电源敏感性要求相对不高，故电源模块选用蓄电池为节点供电，以达到方便、便携的目的。系统主要有两个电源电路，一路5V电源为传感器供电，一路3．3V电源为无线模块供电。5V电源模块选用一款1．25A的大电流、高精度、低压差的LM2940芯片，工作时静态电流低至240μA。

2．2节点传感器模块

现场传感器节点被安装在被监控对象上，采集抽油机井的载荷、位移等参量，为实现载荷、位移及电参数的实时采集，并与控制器及上位机监控系统进行通讯和实时传输。节点传感器模块主要包括：主电机参数检测；减速器参数检测与故障判断；游梁位移传感器检测；曲柄角速度检测；抽油机载荷检测。

2．3网络协调器节点（网关节点）设计

网关节点的功能包括建立网络、无线收发数据等。系统设计汇总网关包含ZigBee无线网络的协调器，即网络的建立者，主要负责ZigBee和GPRS的双向数据、转换协议。协调器节点（网关节点）一直保持工作状态，侦听监测网络，执行各协议层的任务，随时处理采集终端节点关联、解关联以及数据帧发送、接收请求等。各终端采集节点通过协调器与GPRS网络校对时，使得网络时间同步。通过GPRS网络将数据发送回上位机监控室。ZigBee网络中协调器与GPRS模块之间通过串口连接，协调器将从终端子节点传感器采集的数据汇聚后再传至GPRS模块内，通过内部的TCP／IP协议将数据打包封装后发送至SGSN进而与GGSN沟通后，井场SGSN将数据包传送到上位机监控中心。网关经过ZigBee网络周期性采集抽油机井工况数据，再通过GPRS模块实时地传送至监测室中，监测中心接收到现场上传来的数据后，通过内部网Intranet与管理终端实现共享。

2．4远程监测中心

远程监测中心是一个服务器，服务器上运行着上位机软件，当远程监测中心接受到无线传感器网络采集的数据后，该软件可图形化显示远程油田上的数据。

3系统软件设计

ZigBee节点的软件设计开发是在IAR、PacketSniffer、SmartRF04、FlashProgrammer等软件开发环境的联合使用过程中进行的，主要是完成节点网络的建立与维护、各工矿数据的采集处理、采集数据的实时传输等功能。传感器通过ZigBee把采集到的数据传输到协调器。每一个单独节点上装载有载荷传感器和角位移传感器，传感器节点采用命令工作的方式对数据进行采集。

3．1数据采集程序设计

采集时刻到来时，传感器节点首先要打开传感器开关，待传感器工作稳定以后，系统工况数据采集流程图采集得到的模拟电压值将会被送入到AD口转换成数字量。本系统使用的是CC2530内部集成的AD转换器，此AD转换器支持14位的模拟数字转换，具有多达12位的ENOB，包括一个模拟多路转换器，8个各自可配置的通道，可接受单端或者差分信号，以及拥有一个参考电压发生器。ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD转换控制寄存器2）、ADCCON3（单通道AD转换控制器2）、ADCL（ADC数据低位）、ADCH（ADC数据高位）。

3．2数据传输程序设计

传感器节点直接与协调器节点进行通信，该过程中传感器节点一直处于休眠状态。协调器节点组网完成后，开始发送广播帧通知覆盖所有传感器节点，组建网络。协调器接收到传感器的入网命令后，要将此传感器节点的IEEE地址保存下来，并立即向传感器节点发送响应帧，允许此传感器节点加入该网络，协调器节点将一直进行组网操作，直至整个超帧完结。

3．3网关节点工作流程

网关节点中ZigBee网络协调器主控器将采集的工况数据通过RS－232串口传送GPRS模块，GPRS模块内置TCP／IP协议会将数据打包发送至SGSN，进而与GGSN通信沟通后对数据进行处理后，经SGSN发送至监测中心。网关节点工作流程图如图5所示。

4结论

在单井区范围局域内内引入ZigBee技术，由终端节点传感器采集监测抽油机工作情况的各个参量，进行数据采集传输，广域上采用GPRS的两层传输网络架构，数据包经由GPRS网络进行统一远程传输至Internet，很大程度上能提高数据的集中化管理和互通。该设计融合了两种无线传输手段的优势，搭建的网络结构具有传输可靠性高、抗干扰性能强、网络结构简单明了等优点，可以自动管理、组网灵活、具有较强的可扩展性，经济性能高，在油田井场抽油机工况实时监控方面具有广阔的应用前景。

作者：任燕 刘娇月 单位：河南工业职业技术学院