基于ZigBee技术的井口数据传感器设计与实现

2015-03-14周洋

机电信息 2015年12期

周洋

（北京航天时空科技有限公司，北京100074）

1 ZigBee通讯技术

ZigBee是工作在2．4GHz频段的无线通信技术，其底层基于IEEE802．15．4标准，特点是双向无线通信、低速率、低复杂度、低功耗，特别适用于工业自动化监测领域。

ZigBee有3种网络拓扑形式：星形网络、簇形网络、网形网络。此外，ZigBee还有另2种更为简单的通讯方式：点对点通讯、点对多点通讯。无线油井传感器和油井监控RTU（远程测控单元）相当于点对多点通讯模式，在网络架构上ZigBee技术符合本文应用的需求。

2 系统总体方案

无线压力传感器、无线温度传感器、油井监控RTU组成一个单井无线监测子网。无线传感器定时采集单井压力、温度参数，通过ZigBee网络传送给油井监控RTU。油井监控RTU保存监测数据，直到上一级无线网关查询数据，将所要数据读取为止。多个油井监控RTU（每个分配不同的地址）对应一个无线网关，组成多井无线监测母网。

数据汇集到无线网关后，通过以太网口传送到油田信息中心服务器。多个无线监测子网、母网相互组合，便实现了整个油田的监测网络覆盖。通过油田信息中心服务器的监控软件，工作人员可及时掌握每一口油井的工况。

3 传感器硬件设计

设计无线压力传感器和无线温度传感器，分别安装在油井井口位置，用于定时采集井口压力、温度数据，并将数据通过无线网络发送到油井监控RTU中。

2种无线传感器设计需满足以下要求：低功耗（电池供电）、高精度（±0．5%FS、±0．2℃）、防护性（IP67）、防爆性（本安加隔爆）、通讯形式（ZigBee）。无线传感器硬件由6个模块组成：MCU模块、电源管理模块、传感探头模块、放大电路模块、无线通信模块、电池供电模块。

3.1 MCU模块

MCU模块是传感器核心，编程控制各模块，完成电源控制、无线模块控制、A／D模数转换、存储设置参数、存储标定数据等任务。

MCU模块选用Silicon Labs公司的C8051F410，该芯片是一款集成多外设的低功耗单片机，性能满足设计要求，其具有4种工作模式：正常、空闲、挂起和停机，真12位200kb／s的24通道ADC，低功耗（挂起和停机模式耗电仅150nA）。

3.2 电源管理模块

电源管理模块负责输出各模块几种不同工作电压，如MCU和无线通信模块工作在＋3．3V，放大电路模块工作在＋3．0V，A／D变换基准为＋2．5V。电源管理模块由 MCU管脚控制，传感器休眠时关断部分模块电源，降低平均功耗。

选用TI公司的TPS76933芯片输出＋3．3V电压，供MCU模块、无线通信模块等数字电路使用。选用TPS76930芯片输出＋3．0V电压，供压力敏感元件、温度敏感元件和放大电路模块使用。选用TPS76925芯片输出＋2．5V电压，供A／D变换基准使用。

TPS769××系列低压降（LDO）电压稳压器具有压降低、功耗超低和封装小等优点，与通常稳压器相比具有较低的跌落电压和超低的静态电流（最大输出100mA时仅消耗17μA静态电流）。该系列芯片具有输出关断功能（由引脚控制），在关断模式下仅消耗1μA静态电流。

3.3 传感探头模块

（1）压力敏感元件。考虑油井工况的压力测量范围（0～1．6MPa）、耐压程度（承受1．5倍额定工作压力）、测量精度（小于±0．5%FS）、环境温度影响、介质相容性、冲击振动较大等因素，选用西安麦克公司MPM281型工业级压阻式压力敏感元件，其具有高精度（±0．15%FS）、温度补偿、稳定性高（±0．2%FS／年）、耐腐蚀（不锈钢316L）等特点。

（2）温度敏感元件。铂电阻（Pt1000）是目前工业上应用最广泛的一种测温元件。温度变化时，其电阻值基本呈线性变化，接入放大电路便可把热力学温度信号转换成电压信号。选用日本林电工的CRZ－2005－1000型Pt1000薄膜铂电阻。这种铂热电阻用真空沉积的薄膜技术把金属铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以内，用玻璃烧结料固定Ni（或Pd）引线，经激光调阻制成薄膜元件。在测量温度范围内，其输出电阻值与温度成一定的比例关系，例如，在0℃时阻值是1 000．00Ω，在100℃时阻值约1 385．00Ω。

3.4 放大电路模块

该模块采用差分放大电路，压力敏感元件4根引线定义依次为＋3V、S＋、S－、GND。其中，＋3V和GND为压力敏感元件供电，S＋和S－是敏感元件的信号线，两线间mV级的电压差信号经过差分放大电路放大，调整为0～＋2．5V（基准电压）的电压信号，之后进行A／D模数转换。测温电路与测压电路相类似。

3.5 无线通信模块

选用CEL公司的ZICM2410（2．4GHz）无线模块，其技术参数为：工作频率2．405～2．480GHz；3 000英尺无障碍传输距离；接收灵敏度－97dBm；发送功率＋6dBm；工作电压2．1～3．3V；发送数据电流44mA；接收数据电流35mA；休眠电流＜1μA；无线通讯速率250kb／s、500kb／s、1Mb／s。

应用上无线模块串口与MCU模块串口相连即可实现控制。MCU的P0．4口（TXD）接无线模块的P1．0口（RXD），MCU的P0．5口（RXD）接无线模块的P1．1口（TXD）。无线模块固件版本升级到V1．15后增加了硬件休眠功能。外部拉低模块P3．0引脚至少100μs后，模块将在1ms内进入休眠模式。相比之前发送AT命令（控制模块命令进入休眠至少需要10ms），进入休眠时间更短，更加省电。需要唤醒模块时，MCU连接的I／O管脚拉低无线模块P3．2引脚即可。

3.6 电池供电模块

电池供电模块为无线传感器各模块提供电能，为确保在室外长期应用，同时在无线传感器进行防爆认证时能够通过试验测试，选用工业级锂／亚硫酰氯电池。其具有如下特点：使用温度范围广（－55～＋85℃）；自放电率低（存放一年低于1%）；长时间微电流工作（工作年限达8～10年）；在强制放电极端情况下不会解体或燃烧。

4 传感器软件设计

传感器主程序包含两部分，一是工作状态程序，二是标定状态（参数设置）程序。传感器上电后，单片机进入初始化程序，包括端口初始化、时钟初始化、中断初始化、串口初始化等。程序会判断进入工作状态还是标定状态，依据是外部中断置位。实现方法是利用磁棒与电路板上干簧管相靠近，使之导通接地，连到干簧管的单片机外部中断管脚拉低，外部中断置位，单片机进入中断服务程序（标定状态）。

工作状态程序流程：MCU多次采集压力或温度变换后的A／D值，对采样值取平均数，通过公式求出压力或温度值。按通讯协议向油井监控RTU发送数据帧，如果传送成功，传感器收到RTU应答帧后立即进入休眠模式；如果传送失败，传感器再次发送一帧数据，等待RTU应答；如果数据帧3次传送均失败，传感器进入休眠模式。

标定状态程序流程：MCU采集压力或温度最小A／D值，对于压力传感器，最小A／D值是标准大气压值。之后传感器采集最大A／D值，即所测量程的最大值，如测量范围为0～1．6MPa，最大A／D值是1．6MPa时的测量值。之后程序计算系数，并保存到MCU内部的FLASH中。例如：系数A为0．000 484 408 1，保存为 BCD 码 04，84，40，81；系数 B 为0．001 574 33，保存为BCD码00，15，74，33。之后设置传感器工作参数，包括休眠周期、发射间隔、报警上下限、仪表地址。