油田物联网数据传输方式选择及其技术实现

梁宝娟，巨永锋

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

在油田物联网应用中，常常利用放置于油井周边的大量传感器节点，对油井采油信息进行协作化的信息感知和采集。传感器节点以有线或无线方式将现场信息传输到作为网络数据中心的基站，由基站进行数据分析和处理，以得到准确的决策信息，并最终驱动特定的执行机构作业，从而实现对油田的精确化和智能化测控。将诸多参数传送到油田监控中心，需要构建一个效率高、响应快、费用低的数据传输网络[1]。

文中对油田物联网各种数据传输方式进行了研究，并针对油田实际需求及现场特点，提出基于无线传感器网络理念的油田数据传输网络构建方案。

图1 单层设计的网络结构Fig．1 Single layer network structure

1 网络结构

1.1 单层网络结构

在现有的自动化油田数据采集传输方案中，为一台油井设备通过有线或无线方式接载多路传感器，经过中心节点进行数据采集，收集各路数据之后，通过有线或无线的方式传送至数据中心，如图1所示。这种网络结构要求每台抽油机或其他设备，均通过有线或无线方式与数据中心连接。这种网络结构的优点是：结构简单，传输可靠，抗干扰能力强。一个设备的损坏或者线路故障时，不会影响其它油井正常使用，不会造成整个系统崩溃，系统的安全可靠性比较高。缺点是：单个油井设备造价较高，不经济。

1.2 两层网络结构

另外一种方案是将油田数据采集网络结构分为两个层次，如图2所示。每个工作小区现场布设普通节点和小区中心节点，小区中心为整个小区传感网络的中心，收集数据或转达命令，其通过现有的网络和架设在机房的服务器联系。小区中心节点功能等同原有单层结构中的中心节点。虽然增加了普通节点，但是由于一个井场的若干口井只需要一个小区中心节点，普通节点造价又非常低廉，所以在传输方式选择合理的情况下，还可以在不影响传输质量的同时节省建设及运行成本。

2 小区内数据传输方式选择

2.1 传感器与节点之间

2.1.1 有线方式

传感器与节点之间的有线数据传输方式，当前比较常用的是 HART（Highway Addressable Remote Transducer），可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加幅度为0．5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1．2 Mbps。HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求。市面上的有线变送器基本都采用这种通信协议[2-5]。

2.1.2 无线方式

传感器与节点之间若采用无线数据传输方式，比较常用的是433MHz和Zigbee无线技术，它们都属于近距离无线通讯技术，并且都使用ISM免执照频段，但它们各具特点。

433 MHz技术使用433 MHz无线频段，因此相比于Zigbee，433 MHz的显著优势是无线信号的穿透性强、能够传播得更远。但其缺点也是很明显的，就是其数据传输速率只有9 600 bps，远远小于Zigbee的数据速率，因此433 MHz技术一般只适用于数据传输量较少的应用场合。另外，433MHz技术只支持星型网络的拓扑结构，通过多基站的方式实现网络覆盖空间的扩展，因此将涉及到终端在多基站之间漫游的问题[6]。

自从无线传感器网络概念提出以来，许多的芯片公司如TI、Freesacle和Atmel等都以极大的热情投入其中，大量的低功耗的RF芯片因此得以面世。许多针对此种网络的协议也纷纷提出，其中Zigbee联盟提出的Zigbee协议是目前影响最深远的，也是目前最为成熟的一种协议。

Zigbee的特点是低功耗、高可靠性、强抗干扰性，布网容易，通过无线中继器可以非常方便地将网络覆盖范围扩展至数十倍，因此从小空间到大空间、从简单空间环境到复杂空间环境的场合都可以使用。但Zigbee是定位于低传输速率的应用，因此Zigbee显然不适合于高速上网、大文件下载等场合。对于油田传感器数据传输应用，由于其数据传输量一般来说都不是很大，因此Zigbee技术是非常适合该应用的。

2.2 普通节点与小区中心节点数据传输方式选择

普通节点与小区中心节点数据传输无线方式与上述无线传感器方案一样，Zigbee是比较好的选择。而有线方式则可在几种流行的通讯方式如里选择。

目前广泛使用的串行通讯接口为RS-232C。但RS-232C在分布式监控系统中作为多机通讯使用有以下几点不足：1）数据传输率局限于20 kbit/s，传输距离局限于15m。2）不能避免共模信号在通讯中的干扰。

3）只适用于点对点的通讯，无法用最少的信号线实现多点对多点的通讯。

RS-422（全双工）和RS-485（半双工）串行接口总线正是为了克服上述缺点而设计的标准接口。RS-422需要两对平衡差分信号线，而RS-485只需其中一对，对于多机连接更为便利，因此，选用了RS-485作为联网的通讯是最佳选择方案。

485总线是一种用于设备联网的、经济型的、传统的工业总线方式。主要特点如下：

1）RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

2）RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

3）RS-485接口的最大传输距离标准值为4 000英尺，实际上可达 3 000m，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络 ，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。

3 实现Internet接入的方法

由图1可知，除具有与现场设备通信的能力外，基站还具有通过GPRS网络接入Internet的能力。针对传感节点的资源现状和WSN的应用领域，虽然国内外存在众多不同的网络组织管理方案以及路由算法 ，但基站普遍被作为数据中心和控制中心。在确定了网络的组织方式和路由算法之后，网络运作的成功很大程度上依赖于具有丰富的能量、存储和计算能力等资源的基站。位于油田的基站往往不具备铺设线路，而直接接入Internet网络的条件，其他短距离无线通信技术（如蓝牙、红外、802．1lb无线上网技术等）也不适用于接入条件受限的无线传感网络 。目前，中国移动和中国联通推行的GPRS网络已广泛覆盖了我国大部分城乡地区，数据传输带宽可达40 kbps以上，使得通过移动通信网络实现数据传输成为可能。GPRS（通用分组无线传输业务）是在现有GSM网络基础上增加了2个服务节点，即SGSN（GPRS业务支持节点）和GGSN（GPRS网关支持节点），可提供端到端的广域无线IP连接。GPR网络具有覆盖范围广、传输速率高、实时在线、稳定可靠和成本低等特点，因此在基站上采用GPRS技术接入Internet网络是实现油田数据远程测控的一个灵活可靠和实用便捷的解决方案。Internet接入方式如图3所示。

图3 Internet接入方式Fig．3 Insertion modes of Internet

综上所述，针对油田实际需求及现场特点，提出基于无线传感器网络的油田数据传输网络，其基本结构由2个层次网络构建而成，如图2所示，第1层网络是：一个采油井区范围内，构建一个本地的无线传输网络，所有的数据汇总至井区的中心，采用Zigbee通讯；第2层网络是：各井区的中心，通过GPRS或CDMA方式再传送至整个油田的数据中心。

采用这种无线两级网络方式，将具有以下优势：

1）减少有线布设，降低线缆及其施工费用，也降低了现场设备安装的复杂度，杜绝设备运行时线缆损坏而带来设备故障概率；

2）减少了GPRS或CDMA通信节点数目，将有效降低设备运营产生的通信费用；

3）无线自组织寻址。自组织性大大地提高了数据的传输能力，并且在一个多口油井的丛式井台上，只需要安装一套远程终端控制系统，降低了设备费用和安装成本。

4 网络节点的硬件设计

4.1 节点硬件结构

小区中心结构如图4所示，与普通节点间差别是没有安装GPRS（CDMA）模块，即小区中心节点同时也具有完备的普通节点的采集数据和动作控制能力。除此之外，他们的太阳能电池、可充电电池大小及工作软件则有较大差别。

图4 小区中心节点功能结构Fig．4 Functional structure of district center node

4.2 RF设计

文中小区中心节点采用Zigbee协议处理器CC2430，CC2430是TI公司最新推出的符合ISM频段的2．4 G IEEE 802．15．4标准的射频收发器。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 kbit/s可实现多点对多点的快速组网。 CC2430 工作频带范围：2．400～2．483 5 GHz， 采用 OQPSK 调制方式，超低电流消耗（RX：19．7mA，TX：17．4mA），高接收灵敏度（-99 dBm）；IEEE802．15．4 MAC 层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16 bit CRC校验、电源检测、完全自动 MAC 层安全保护（CTR，CBC-MAC，CCM）；CC2430只需要极少的外围元器件，其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。

CC2430为IEEE802．15．4的数据帧格式提供硬件支持。其MAC层的帧格式 为头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格式为，同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可以通过寄存器的设置来改变。可以采用16位CRC校验来 提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入RAM中的128字节的缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。

5 结 论

目前，该系统的实验已经在基于ARM9搭建的基站系统上实现，两个网络数据信息可以根据数据传输协议的转换方法顺利实现透明传输。在移动通信的GPRS平台上，实现油田WSN系统与Internet的无缝接入，随着WSN技术的不断成熟，该技术在油田远物联网领域中将具有良好的应用前景。

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