基于ZigBee无线传感器网络的井场环境监测系统设计

仝 迪 牟建云 甯 鸿 余海涛 张 平

（西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500）

0 前言

国内外许多油田都需要对井场生产进行相应的设备管理和安全维护，比如输油管路的防冻、有毒有害易燃气体的泄漏等，因此对井场的各种环境参数监测显得尤为重要[1]。而传统的油田井场环境监测基于有线通讯系统，存在诸多不足。因此需要选择新型的数据传输通讯方式即无线传感器网络[2]。

国外较早就着手无线传感器网络研究，美国军方远景研究计划局推出了WEBS、SCADDS等一系列项目[3]，康奈尔大学研究了无线传感器网络基础理论和关机技术，麻省理工学院开始研究用于超低功耗无线传感器网络的方法和技术[3]。

国内也已经进行了许多无线传感器网络方面的研究，其中浙江大学正在进行无线传感器网络硬件实现方面的研究工作；此外诸如中科院计算机所、自动化所等也在进行无线传感器网络技术的研究[4]。虽然国内在进行这方面的研究，但仍处于起步阶段。

目前，环境监测是无线传感器网络研究和应用的重要领域。本文针对新疆地区油田井场环境复杂、监控难、安全事故易发等缺点，为适应数字化油田发展方向，设计一套基于Zigbee无线传感器网络的井场环境监测系统，实现对油田井场环境温度、湿度、有毒有害易燃气体的泄漏等信息的实时精确测量，及时获取不利于井场生产安全的环境因数并给生产管理人员提供准确的数据,为油田的安全生产、提供了重要的技术支持和保障。

1 井场环境监测系统结构与工作原理

图1 系统结构图

系统原理图如图1所示。井场环境监测系统由上位机软件系统和下位机Zigbee无线传感器网络组成。而下位机ZigBee无线传传感器网络又由协调器节点、路由器节点以及大量的传感器节点组成。传感器节点以及路由器节点设计有温湿度传感器、天然气传感器、烟雾传感器、光照传感器等用于采集井场各个井的环境参数信息；协调器节点负责建立数据传输网络，同时兼顾发送和接收相关指令[5-6]；上位机系统通过将协调器传输过来的井场环境数据信息存储、分析和显示。

系统工作原理：下位机传感器网络节点实时采集分布于井场内的各个井口的温湿度、有害气体泄漏、光照等重要的环境数据信息。当协调器节点上电建立无线网络后，通过ZigBee无线方式与传感器节点连接，传感器节点自动实现与协调器节点对话并做出匹配并加入ZigBee无线网络[6]。此时，传感器网络节点采集到的数据就可通过ZigBee无线网络传递至协调器进一步将数据传输到上位机软件系统，上位机软件系统实现数据的存储、分析和显示，实现对井场的环境参数进行有效监测。

2 系统硬件设计

2.1 传感器节点设计

图2 传感器节点系统框图

在井场环境监测系统中，无线传感器节点系统如图2所示。传感器节点硬件由数据采集模块，处理器、存储器模块，无线通信模块以及电源模块实现。

2.1.1 数据采集模块硬件设计

在本系统设计中，数据采集模块包含多种类型的传感器。温、湿度传感器主要用于采集井口的温度和湿度，设计中考虑新疆油田地区，昼夜温差大，选择具有标准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11，该传感器具有单线制串行接口[7]，直接读取温湿度数据，抗干扰能力强。

天然气传感器主要用于检测井口采油树中套管气（主要成分为天然气），这里选择MQ-2型气体传感器。光照传感器选择两线式串行总线接口的数字型光强度传感器BH1750FVI；硫化氢传感器主要用于检测井口硫化氢气体泄漏量，选择MQ135型气体传感器。烟雾传感器选择MQ-4型气体传感器。

2.1.2 无线通信模块硬件设计

无线通信模块选择CC2530集成芯片模块，它集成高性能的RF收发器和一个增强型的8051微处理器，拥有较大的闪存空间最大可达256K[8]，同时该模块支持IEEE802.15.4/Zigbee/ZigbeeRF4CE标准，无线通信采用芯片所集成的2.4GHz IEEE802.15.4标准射频发射器，该发射器具有较为优秀的接收灵敏度和抗干扰能力。

2.1.3 太阳能电源管理设计

传感器节点的各部分器件需要不同电源供电，为充分利用新疆地区光照条件，设计通过太阳能转化为电能对系统供电，系统采用4.2V5000mAh大容量锂电池收集并存储从太阳能电池板收集到的能量，可在无光照的条件下向系统持续供电，以保证系统不间断运行[5]。同时设计对应的电源管理模块，包括DC-DC升降压模块、升压模块、充放电保护模块等。

DC-DC升降压模块设计如图3所示，该模块由升降压芯片XL6009及其周围元件组成，其作用是将太阳能电池板输入的+6V直流电降为锂电池的充电电压4.2V，通过充电管理模块实现对锂电池的安全充电。升压模块电路由高效率、直流升压稳压器件B6284X及周围元器件组成，该电路的作用是将3.3V低压转换成。

图3 DC-DC升降压模块电路图

2.2 协调器节点硬件设计

协调器节点负责调度各传感器节点工作,其运行直接影响系统的稳定性。协调器节点采用CC2530芯片，为使协调器能够实现CC2530芯片与上位机软件系统通信，本设计通讯接口采用标准的RS232,将采集到的数据通过串口上传给计算机,电路原理如图4所示。

图4 协调器电路图

3 软件系统设计

3.1 系统软件流程

为满足系统低功耗要求，软件设计中采用了休眠、唤醒的工作方式，即在上位机软件系统未发送数据查询命令时，传感器节点处于休眠状态，当接收到命令进入唤醒工作状态，完成数据的采集和发送等。系统工作流程如图5所示。

图5 系统软件流程图

3.2 上位机软件系统设计

监测系统上位机软件系统主要由数据通信模块、数据存储模块、数据显示模块等组成。软件运行需要对串口进行初始化设置，接着上位机就可以通过串口向协调器发送控制指令[6]，当传感器节点接收到指令进入唤醒状态后加入ZigBee网络，传感器开始进行井场环境参数数据的采集，最终数据通过传感器节点传递到协调器节点进而传递到上位机软件系统进行存储、分析和显示。软件系统如下图6所示。

图6 上位机软件显示界面图

4 井场环境监测系统实现

设计的井场环境监测系统由上位机软件系统和下位机传感器网络组成。最终系统实现在实验条件下完成相应的环境参数采集显示等功能，系统实验结果说明设计的该套系统网络组建灵活方便，数据采集、传输快捷，容量大，具有较强的稳定性、可靠性，满足井场环境的监测相关指标。系统整体实物如图7所示。

图7 系统整体实物图

5 结论

设计的基于ZigBee无线传感器网络井场环境监测系统，从技术层面上有效解决了油田井场环境复杂、监控难、安全事故易发等缺点。结合新疆地区光照强的特点，系统设计采用太阳能供电技术，解决了系统组网供电等困难，同时设计休眠、唤醒工作模式，减低系统功耗，保证系统能够昼夜不间断工作。最后实验测试验证系统设计合理可靠，组网简单，数据采集传输方便快捷，能有效改善现有的井场环境监测模式，并降低生产管理成本。

[1]王小强,欧阳骏,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社,2012.

[2]蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究[J].传感技术学报,2007,20(1):183-186.

[3]邹赛,刘昌明,李法平.基于无线传感器网络的水环境监测系统[J].传感器与微系统,2010,29(9):104－109.

[4]王福禄,方俊龙.基于无线传感器网络技术的温室环境监测系统的研究[J].自动化技术与应用,2009,28(10):53-56.

[5]刘玉梅,张长利,等.基于ZigBee技术的水产养殖环境监测系统设计[J].自动化技术与应用,2011,30(11):50-53.

[6]Willig A.Wireless Sensor Networks:concept，Challenges and Approaches[J].Elektrotechnik and informationstechnik,2006(6):224－231.

[7]Cheng Wang,Chunjiang Zhao,Xiaojun Qiao,et al.The Design of Wireless Sensor Networks Node for Measuring the Greenhouse’s Environment Parameters[C]//The International Federation for Information Processing.Springer US,2008:1037－1046.

[8]沙国荣,赵不贿,景亮,等.基于ZigBee无线传感器网络的温室大棚环境监控系统设计[J].电子技术应用,2012,38(1):60-65.