基于ZigBee技术的抽油机无线数据采集系统的设计

2013-06-27王传英王凤嫔

大庆师范学院学报 2013年6期

林芳，刘洋，张宇，王传英，王凤嫔，陈鑫

（1.大庆师范学院物理与电气信息工程学院，黑龙江大庆163712；2.大庆油田有限责任公司钻探工程公司，黑龙江大庆1637000；3.中科院微电子研究所，江苏无锡214000）

林芳1，刘洋2，张宇3，王传英1，王凤嫔1，陈鑫1

利用ZigBee技术设计一种抽油机无线数据采集系统，搭建短距离ZigBee网络，实现油井参量的远程监控。选用DS18B20、DTH11测量温湿度；ATT7022测量螺杆泵电机的电参数传送至单片机处理后，通过CC2430RF收发模块传送至数据传输终端。该系统主要针对抽油机所处井场环境恶劣，不易获取油井参数，抽油机各系统运行工况掌握较困难等实际情况，具有一定的价值和实用意义。

数据采集；ZigBee技术；ATT7022；DS18B20

为了能够及时的了解油井的运行情况，合理分析抽油机系统各方面的数据，选择合适的抽油机数据采集方式显得尤为重要。当前，依靠采油工人工采集油井数据，手工记录之后，输入计算机再进一步分析仍然是各大油田选用的主要数据采集方式。这种方式耗费了大量的人力资源，增加了工人的劳动强度，并且因为采集每口油井参数工作周期长，从而数据不能得到及时更新［1］；如若考虑布线传输数据，由于抽油机分布分散且地区偏远，再加上井场的环境恶劣，这种方式将耗费大量的物力资源。随着传感网技术和计算机技术的日益进步，为了实现自动化管理，基于各方面因素的考虑，抽油机无线数据采集油井参数的方式得到广泛应用，短距离远程监控从实际问题角度考虑节约了大量的人力和物力。

1 系统原理概述

本文主要基于ZigBee技术通过研究设计一种抽油机无线数据采集系统。针对抽油机所处井场环境恶劣，不易获取油井参数，抽油机各系统运行工况掌握较困难等实际情况，使用近距离远程监控方式。利用计算机技术和无线射频技术相结合实现了无线数据采集［2］，用于油井参量数据采集的实际运行过程，降低了采油工人的工作强度，同时通过随时了解油井有杆抽油系统各方面参数，就可以知道油井的工作情况。及时更新油井参量，保证油井的正常运转及安全运营。本文系统框图如图1所示，针对当前油田的实际情况设计参数采集模块，设计成ZigBee树状节点结构，完成ZigBee网络节点传输模块，并对数据传输终端进行硬件设计。节点处系统框图如图2所示。

2 系统硬件设计

2.1 温度传感器

美国DALLAS公司推出的单总线温度传感器DS18B20输出的是数字数据，长度一般为9到12位，并且具备不因掉电而改变的报警功能，此功能可由电平触发，DS18B20仅仅需要1条数据线即可以发送或接收数据。它的温度测量范围在-55～+125℃，如果其工作于-10～+85℃的温度范围内，测温精度能达到0.5℃以内。此外，DS18B20能从一根传输线路上获取能量，无需增加供电电源。

任何一个DS18B20都具备一个独特的64位序列号，于是多个DS18B20可以同时连接在一根单总线上，达到一个MCU控制多个传感器的目的，这一特性在很多场合都非常适用。例如温室大棚、空旷地区分布检测、粮仓防火、仓库安全等。

图1 系统框图

图2 节点处系统框图

2.2 DTH11湿度传感器

DTH11是一款多功能传感器，采集技术使用了先进的数字模块，先进的湿度传感技术保证了产品具有极高的稳定性能和卓越的品质，该传感器包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，因此该产品具有质地优良、反应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。尤其是它的串行接口，采用了单线的方式，有利于系统集成。它的做工体积很小，运行起来功耗很低，其信号传输距离可达几十米。

2.3 电参数采集电路

电参数采样计量采用珠海力矩三相电能专用计量芯片ATT7022B，其内部原理图如图3所示。ATT7022是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。它内部集成了六路二阶的sigma-delta模数转换器、基准参考电压电路、各种功率检测、消耗能量、交流电有效值、系统功率因数以及频率测量等数字信号处理电路。它不仅能够测量各单相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压的有效值，系统功率因数、相位角、频率等参数，充分满足三相电力系统电气参数检测的需求。另外还支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表；有功、无功电能脉冲输出，提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。可以对基波有功、无功功率进行测量，提供两类视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，提供一个标准SPI接口，方便与外部微处理器之间进行计量参数以及校表参数的传递。

2.4 CC2430收发模块

CC2430为SOC芯片的设计架构。是ZigBee应用嵌入式片上系统的无线单片机系列芯片。CC2430在单芯片内部集成了ZigBee射频（RF）收发器，还包括加强型8051MCU及RAM、ADC、看门狗等。配置电源滤波电路、芯片晶振电路等少量外围电路即实现信号的收发功能，相对来说操作简单。CC2430芯片具有高阻抗差分式射频输入输出，射频端口最佳差分负载阻抗为115+180jΩ。CC2430收发电路天线使用非平衡变压器，整个天线电路满足R／F输入／输出匹配电阻（50Ω）的要求。它需要很少的外围元器件数目就能够完成基本的通信任务，易于操作，具有功耗低、灵敏度高、抗噪声能力强，抗干扰能力强等特点。

3 ZigBee技术概述

ZigBee技术是基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准的短距离无线通信技术。它具有低功耗、低成本、低传输速率等优点，ZigBee技术工作频段包括2.4GHz，对全球均可免费使用，数据传输延时短，可靠度高。它的有效覆盖距离可达75m，具有全面的安全机制，相比蓝牙、红外等无线传输技术更适合在本系统中使用。低层的物理层和介质访问控制层由IEEE控制，ZigBee技术联盟指定网络层和应用层。安全协议用于连接协调器，多个协调器可形成网络，还可根据安全规范扩充安全层，从而保证节点信息不被泄露。

4 系统软件设计

图5 温湿度数据采集流程图

图6 数据传输终端处理流程

该系统软件设计主要包括：温度采集，湿度采集，电参量采集，ZigBee组网程序设计，RTU收集数据程序设计五大部分。系统初始化主要是检测控制系统处理器、DS18B20，DTH11、ATT7022B的初始化。其中，ATT7022B初始化实际上是系统校准，过程包括相位补偿设置、功率增益设定、电源相位校正、额定启动电流设置等。温湿度数据采集流程图如图5所示。参数采集模块与数据传输终端的通信内容为报告当前采集到的数据，还有接收到的确认信息。RTU的设计流程图如图6所示。

5 结束语

本文根据目前油田抽油机数据采集的实际情况，提出了一种基于ZigBee技术的无线数据采集系统。实现了对温湿度、电参量等数据的采集；同时利用CC2430与C8051F121主控芯片的结合，完成ZigBee短距离无线网络的搭建工作。当数据采集节点及RTU终端连接建立成功后，及时上传数据。减小了冗余工作，也提高了抽油机数据参数的及时更新程度，具有非常实用的使用价值和意义。

［1］张福军，王克奇.基于C805lF350抽油机采集系统的研究［J］.机电产品开发与创新，2009，19（6）：143-145.

［2］陈宪侃，叶利平，谷玉洪.抽油机采油技术［M］.北京：石油工业出版社，2004：3-5.

［3］王钢.基于ZigBee技术的油井参量釆集系统的开发［D］.天津：天津科技大学硕士学位论文，2010.

林芳（1983-），女，黑龙江大庆人，大庆师范学院物理与电气信息工程学院讲师，从事信号处理理论及应用研究。

大庆师范学院自然科学基金（11ZR08）。

TP751

2095-0063（2013）06-0041-03

2013-09-07