基于无线传感器网络的油井监控系统

基于无线传感器网络的油井监控系统

刘 甜 张少轩

保定职业技术学院

基于ZigBee技术的无线传感网络不仅对油井监控数据具有更加持续的传输能力，并且维修起来也相对容易。无线传感器网络系统的硬件电路分为数据采集、路由节点、网关节点以及监控中心电路等，软件主要由无线通信网络软件的子系统与监控中心管理软件的子系统组成。这种无线传感网络技术在ZigBee协议基础上建立，遵守GPRS网络传输的中心内容，由现场采集、路由、网关三部分节点构成。传感器采集节点的灵活与MESH网络的稳定应用保证了油井监控的可信赖性，有助于油井作业效率的提高和网络运行成本的降低，促进了油田生产的自动化与信息化发展。

无线传感器网络；油井远程监控系统；设计思路

传统的油井监控系统会根据不断变化的数据，将信息通过有线电缆连接至控制中心进行数据整合处理。由于不同油田的油井工作场景和所处环境不同，特别是油井周边的恶劣条件，即便企业投入大量成本，也难以顺利进行电缆铺设，并且灵活性基本为零；移动基站的造价与移动性也会受到地形限制，降低了油田的生产监控效率，在后期维护工作中也相对困难。随着ZigBee技术的发展，有望改变目前的现状，其低成本、高传输效率的优势使其能够适应各种环境的远程数据传输[1]。基于ZigBee技术的无线传感网络不仅对油井监控数据具有更加持续的传输能力，并且维修起来也相对容易。无线传感网络是单个油井或多油井间进行信息交流和数据传输的最佳方式，尤其适用于我国克拉玛依油田这样恶劣环境的油井监控系统。

1 系统工作原理及总体架构

新型无线传感网络技术不再基于GPRS或CDMA进行监控数据传送，而是以ZigBee技术为基础构建全新的传输网络。这种无线传感网络技术在ZigBee协议基础上建立，遵守GPRS网络传输的中心内容，由现场采集、路由、网关三部分节点构成。

抽油机井设备上的现场采集节点通常能够自由灵活设置，主要对抽油机井工作时的电机电流、功率值、井口压力、温度等数据进行收集[2-3]。每个油井得到的检测数据通过路由节点进行整理，最后通过ZigBee无线网络以帧传输模式将数据传送至网关节点处。每个路由节点需要组成动态组，网关节点起到节点的协调作用。在无线网络中架设Mesh网络，可以将这些路由节点互相连接起来，让监测数据可以达到多重处理的目的。一般监控系统搜集到数据后，汇总到网关节点，再由网关节点送至GPRS网络，经网络编码后，汇总到远程控制中心。当控制中心接收到编码后的数据，会将其由RS232接口上传到主监控室的中心PC机上。之后PC机进行快速整理分析，对处理结果立即反馈，使现场接收到反馈信息后能做出适当的调整。这种全新的网络系统可以提高油井监控的远程控制效率，达到自动性、实时性目标。

2 系统硬件设计

无线传感器网络系统的硬件电路分为数据采集、路由节点、网关节点以及监控中心电路等[4]几部分。

2.1 数据采集和路由节点设计

抽油机设备上放置的是数据采集节点与路由节点，这是采集油井实时数据的基础设备，及时对上级进行进一步数据输送。数据采集和路由节点主要由传感器模块、无线通信模块、处理器模块和供电模块组成。

运用该模块时要根据现场需求来选择适合的传感器，对各监测点分别进行检测，通过传感器节点的定时唤醒功能进行数据采集，并以路由节点为载体发送信息，完成之后进入休眠以节约资源。

2.2 网关节点设计

作为整体网络的控制核心，网关节点可以根据不同需求布置在GPRS通信网络覆盖下的区域内，对其他节点数据进行接收和转送，在校正、融合后进入监控中心。监控中心发出的指令同样需要网关节点进行处理和执行。

一般此模块的串口电路使用的是西门子GPRS模块MC55，此设备内嵌了TCP/IP协议，设计难度较低，而微处理数据的能力却大大提升，使执行远程任务传输效率得到提高。串口电路为标准串口，可直接连接，同时在每个引脚电路上都串接一个100 Ω的电阻，让它们的串口电平相符。JN5139模块与MC55模块通过引脚DIO11相连，当数据送达时会通知MCU，即数据传输时产生的中断信号。作为MC55模块的驱动装置，IGT在实现引脚模块功能时候需要的供电电压要高于3.3 V，MC55模块通电10 ms后，IGT的引脚电平应大于100 ms，随后向高阻态转变，GPRS模块也随之开始工作。

西门子的MC55模块预留了6个SIM卡接口引脚，比GSM11.11预留引脚多加了CCIN引脚，能够对在卡座中的SIM卡牢固程度进行检测。并且，MC55模块在SYNC输出引脚中以三极管来作为发光二极管的驱动，能够让LED灯进行工作状态的判定。

2.3 监控中心电路设计

监控中心电路的创新之处在于应用了标准RS232接口与电平变换芯片MAX3238C。标准RS232接口有效连接了MC55模块与数据中心PC机，为监控中心的PC机上传数据；MC55模块的串口逻辑电压是+2.65 V，相符于PC串口电平，转换时使用电平变换芯片MAX 3238 C可以起到转换电压的作用。

3 系统软件设计

监控系统的软件主要由无线通信网络软件的子系统和监控中心管理软件的子系统组成[5]。

3.1 无线通信网络软件

无线通信网络的软件子系统可以对监测数据进行有效收集和整理，同时需要通过ZigBee和TCP/ IP协议进行转换，从而使数据实现完整的远程传输。一般系统使用的是Jennie公司编写的Code-Bloeks软件。

首先，在硬件设备中供电，完成交流电向直流电之间的转换（交流电的交变模式通常以正弦或余弦进行），在完成直流电交变后，整流器即完成传输电流信号的交变流程。接着，ZigBee模块进行初始化过程，完成设备运行时开机流程，其中包括软件平台程序的运行，语言中枢代码的传输以及数据处理后台操作系统的运行。

值得注意的是，硬件上电要先经过初始化Zig-Bee模块，在协调器的网络标识中选PANID来作为协调器的网络标识，由此建立路由表和ZigBee网络，将其他节点加入其中。完成ZigBee模块初始化后启动GPRS模块，使用AT指令发送数据，并规定一个串口通信速率，同时建立Socket连接，做好数据通信的准备。在GPRS模块初始化后，进行监听网络的接入，外面的事件会出现发送中断现象，系统可以通过判断响应的类型，进行下一步数据转发行为。

3.2 监控中心管理软件

监控中心软件执行工作是接收与发送基于TCP协议的IP数据包，目的为了在GPRS终端实现IP协议的信息流通。软件方面需要Visual C++6.0内置的Casyncsocket字库支持，以便对IP地址和PC机等名进行由繁至简的转换，使操作能够更加顺畅地进行，实现Socket编程通信的目标。另外，此字库软件需要控件MSComm的支持，将串行通信变为现实。所有的数据在采集成功后可用Access 2000软件进行存储，方便对抽油机的日常运行分析工作与用户数据搜索。

4 结语

基于ZigBee协议的无线网络对油井监控系统具有跨时代的意义，抽油机中数据监控采集与GPRS网络的远程数据传输相结合，使远程无线监控和传输进入到了全新的时代，这是一个里程碑式的技术改革。传感器采集节点的灵活与MESH网络的稳定应用保证了油井监控的可信赖性，有助于油井作业效率的提高和网络运行成本的降低，促进了油田生产的自动化与信息化发展。另外，无线传感器网络技术在智能家居、水文检测、环境卫生等领域也具有较大的应用空间，因此值得在未来进行更大范围的推广。

[1]卢瑞祥，牟轩沁，纪震，等．新型智能油井监控系统[J]．石油仪器，1997，11（6）：15-17.

[2]刘林．基于无线传感器网路的油井监测系统组网的研究与实现[D]．济南：山东大学硕士学位论文，2008.

[3]L．C．Zhong，J．Rabaey，C．L．Guo，et a1．Data 1 ink layer des infor wireless sensor networks． Communications for Network-Centric Operations，Creating the Information Force[J]．2001，13（7）：32-35.

[4]任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络[J]．软件学报，2003，14（7）：12-13.

[5]张乃禄，姚萱萱，李选锋，等．基于无线网络的远程注水监控系统[J]．油气田地面工程，2011，30（12）：61-63.

（栏目主持 关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.3.042