便携式油田现场网络终端适配器

王玉峰，于聪智，孙 威，孔 阳

（1.中石油华北油田分公司数据中心河北任丘 062552；2.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

便携式油田现场网络终端适配器

王玉峰1，于聪智2，孙 威1，孔 阳2

（1.中石油华北油田分公司数据中心河北任丘 062552；2.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院，北京102249）

油田现场设备的正常运行是保障油田高效生产的重要措施之一。本文基于油田物联网技术和触摸屏技术，提出利用ZigBee无线传感器网络搭建无线数据采集和传输系统，以Cortex-M3内核的微处理器为核心，编写软件实现友好的人机界面，以此来完成该检控系统的整体构建。目前，该系统的原型机已经实现，通过实验表明，该系统性能稳定，各项指标均达到要求。

ZigBee；Cortex-M3；人机界面；检控系统

我国油田油井数量多，且大多分布在野外，无人看守，所处环境恶劣，油井设备的运行易受自然和人为等各种因素的影响，油井数据的采集基本靠油田工人完成[1]。无论严寒还是酷暑，采油工人都必须定期开车携带大量的检测设备到各个油井检查设备运行情况并且记录采油数据，工人劳动强度大，很多仪器仪表的操作非常繁琐，并且数据的准确性完全依赖于采油工人的工作责任心。并且经常因为受到天气变化和交通工具的影响而无法正常获得生产的参数，严重影响了油水井的自动化管理[2]。

在油田应用领域，经常涉及到对分散的各个油水井设备集中管理的问题，一般使用布置光纤等方法实现集中管控或使用手机应用软件APP管理油水井设备。一定程度上解决了上述问题，但是这些技术还有很大的局限性。

1）采用布置光纤的方法可以将各油井设备集中管理起来，在监控中心查看设备运行状况，其缺点是布置光纤过于复杂，易受外界环境影响，导致断网，光纤出现问题后维修不便；

2）采用手机应用软件APP能够满足管理油水井设备的要求，但需要对现有终端设备升级改造，移动网络信号要求苛刻，易受外界黑客的攻击，威胁到油水井信息安全，对国家利益造成损失。

目前，油田在数据采集及传输网络上的现状如下：

1）油井位置分散，各个现场网络环境复杂，存在着多种传输方式；2）现场设备的通讯接口众多，数据传输协议标准不统一；3）实现对油田所有油井设备的监控管理是不可能的。

1 系统分析

文中将传感器技术、ZigBee技术构建无线传感器网络，采用GUI技术设计人机界面，数据采用modbus协议封装，安全可靠，不会泄露油田信息，使用嵌套式界面可以实时查询需要了解的数据，根据设备分析结果进行校正设备运行状态，能够达到安全稳定集中管控油水井设备的需求。

传统的无线传感器网络在运行时，终端设备采用定时的方式采集数据，最终将数据传输到上位机。这种方式不利于工业现场的实时监控。鉴于此，本文采用实时监控的功能，采油工人到现场巡检时，想要了解现场情况，只需要通过该网络终端适配器来查看现场设备的运行状况，并给终端设备发送命令，终端设备对其命令进行判断，然后执行相应的物理动作。达到实时监控目的。

ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的，协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，我们只需要关心与他的工作直接相关的那些层的协议，他们向高层提供服务，并由底层提供服务。

图1 ZigBee协议栈架构图

物理层负责信道的选择以及通过物理信道对数据包进行发送和接收。MAC层主要实现信道介入，发送和接收帧结构数据。网络层主要用于zigbee网络的组网连接、数据管理和网络安全。应用层包含应用支持子层，应用程序框架层和ZDO设备对象，主要为zigbee技术的实际应用给提供一些应用框架模型。

每个油田所管理的油井成百上千，油井位置相对分散，采用单个传感器网络覆盖单个油井的办法，不同的 zigbee无线传感网络之间是通过它们的PanID来区分的，一个PanID对应一个无线网络，PanID不同，网络之间无法通信[3]。PanID是通过f8wConfig.cfg文件中的 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置的，范围为0x0000—0x3FFF，通过zb_GetDeviceInfo（ZB_INFO_PAN_ID，&pan_id）函数读取[4]。

采油工人进入协调器组建的网络范围，请求加入网络，绑定。协调器收到命令后，以广播的方式将命令通过ZigBee无线网络发送给终端设备，终端设备将数据包解析出来，执行相应的物理动作，现场数据采用ModBus协议封装，通过ZigBee无线网发送给网关，并最终在LCD触摸屏上实时显示油田现场的数据信息[5]。

2 系统方案

2.1 设计总体方案

无线系统将油田的现场监测数据，利用无线传感器网络，将所有数据以MODBUS协议封装，通过无线网络实时、安全、低成本地将数据在液晶触摸屏显示[6]。该便携式油田现场网络终端适配器用于巡检工人对油田、油井的设备检测以及现场数据的实时采集、显示；实时了解相关设备的运行状态，及时处理突发事件。

图2 系统结构图

2.2 芯片的选择与介绍

ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真证的片上系统解决方案，CC2530是针对 IEEE 802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8 kB的RAM，有一套广泛的外设集——包括2个UART（一个配置为RS232通信，一个配置为 SPI通信）、12位模数转换器（ADC）和21个通用GPIO，非常适合低功耗成本项目开发[7]。所以本系统选择CC2530作为zigbee无线网络芯片。

2.3 系统构成

该检控系统由网络终端适配器模块、协调器网关模块以及zigbee终端设备模块3部分组成。

1）网络终端适配器模块 该模块由CC2530射频电路和适配器电路组成。该部分采用STM32F103RC芯片，该芯片拥有ARM公司高性能“Cortex-M3”内核，4 Mb/s的UART，1 μs的双12位ADC以及其它丰富的接口[8]。主要实现对现场的网络进行配置，也可以对油田现场的设备进行控制管理，并且可以直接与采油工人进行可视化的信息交流。

网络终端适配器特点如下：首先，要携带方便，因为在现场可以查询和控制所有设备，因而要求该适配器是便携式的并具有无线通信功能。其次，要配置动态界面，不同的油井可能会有不同的设备，设备的数目、类型也不一定完全相同，基于这些方面的差异，该适配器要配制成动态的。可以针对不同的油井配置不同的动态界面。最后，操作容易，该适配器是为油田工人巡检时配置的，一定要设计成简单、直观、灵活，便于采油工人实用的用户界面。

协调器网关模块网关模块是ZigBee协调器。Zigbee协调器部分由CC2530射频电路组成，主要负责zigbee无线网络的组建，网络的管理和维护[9]。接收到命令后zigbee协调器以广播的方式将命令通过网络发送。

网关与终端设备实现数据通信最关键的因素是实现它们应用层之间信息流的绑定。绑定实际上就是两个节点在应用层上建立起来的一条逻辑链路，以实现在目标设备地址未知的情况下，向目标节点发送数据的目的。

在油田现场采用match的模式来实现绑定功能，即协调器调用zb_AllowBind（uint8 timeout）函数将其状态设置为允许绑定，终端设备可通过zb_ BindDevice（）函数发送绑定请求，以此来实现协调器与终端设备的绑定[10]。zb_AllowBind（uint8 timeout）函数通过设置参数timeout对设备进行配置，它代表目标设备进入绑定时间。当timeout为0x00时，目标设备取消允许绑定模式，timeout为0xff时，目标设备被设置为允许绑定模式，调用函数afSetMatch（）实现端点描述符匹配。

2）zigbee终端设备模块 zigbee终端设备由传感器和CC2530电路构成[11]。主要实现加入zigbee无线网络功能，控制传感器数据采集功能以及对协调器发送的命令格式进行判断的功能.也就是说zigbee协调器发送命令，终端设备接收后，进行判断，命令是否为MODBUS数据格式，是否是对本设备的控制命令，如果判断正确，控制传感器进行数据采集。

图3 终端设备结构图

本设计射频部分采用巴伦电路对高频电流进行平衡不平衡转换。如图3所示。

图4 平衡不平衡转换电路图

CC2530使用12位ADC满足现场精度要求，由于CC2530芯片包含一个SPI通信接口，这也给另加高精度ADC后对其控制提供了可能。传感器将采集到的油温、油压等数据发送给网关。

由于本系统所用射频电路信号为2.4 GHz，信号频率高，波长较短，PCB板在设计时射频部分尺寸应尽量减小[12]。在差分信号转变为单端信号电路（即不平衡状态与平衡状态转换巴伦电路）器件摆放时，应尽量使差分信号部分电路器件保持对称。由于电路板每一个过孔会带来10 pF电容效应，所以采用菱形过孔，避免其对信号带来的干扰，并且选择最小过孔尺寸（减小过孔寄生电容）[13]。在顶层射频电路对应的底层板不应放置任何器件。最终的PCB图如图所示。最关键的是为了降低回损，传输线拐角应采用45度角理[14]。

3）显示界面 在界面显示模块分为两部分：静态显示和动态显示。静态显示部分采用Image2软件将JPEG格式的图片转换成C语言数组，从数组中选出要显示的图像的长度和高度，然后根据转换图片时的扫描顺序进行填色处理，并且C语言数组里面数据大小代表颜色深度；动态显示部分是根据要显示的动态数字位置坐标，把RS232串口接收到的数据

图5 射频电路PCB设计

在图片预留位置进行显示[15]。

图6 显示控制界面

3 结束语

文中首先结合实际应用分析了该便携式油田现场网络终端适配器的功能并给出设计方案，依照提出的方案，完成了基于zigbee无线传感网络的系统设计，选取以Cortex-M3内核的微处理器，并根据功能添加了外围功能芯片，设计了原理图并完成制板工作，搭建起硬件平台；在软件方面，采用GUI编程技术，实现友好界面的编写，现场数据采用ModBus协议，统一了数据传输格式，使各模块衔接更加紧密，及时的将数据上传给该网络终端适配器，由采油工人根据现场的实际情况作出相应的处理，实现对油气水井的管理和控制。并且在实际应用中对该网络终端适配器的性能做了测试以达到实际应用水平。

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Portable oil field network terminal adapter

WANG Yu-feng1，YU Cong-zhi2，SUN Wei1，KONG Yang2
（1.PetroChina Huabei Oilfield Branch Data Center，Renqiu 062552，China；2.The Earth Physics and Information Engineering Institute，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The normal operation of the oil field is one of the important measuresto guarantee efficient production.In this paper，based on the field the Internet of things technology and touch screen technology，awireless data acquisition and transmission network is built with ZigBee wireless local area network.The system uses Cortex-M3 as the core unit.The software is written，which can realize the friendly human-machine interface.All of these are used to realize the system which can monitor the field equipments.At present the system prototype is implemented.The field experiment shows that this system has stable performance and the indicators are up to grade.

ZigBee；Cortex-M3；human-machine interface；monitoringsystem

TN92

：A

：1674－6236（2017）01-0097-04

2016-04-18稿件编号：201604185

国家发改委下一代互联网技术在智慧油田的应用示范项目（CNGI-12-03-043）

王玉峰（1984—），男，河北行唐人，工程师。研究方向：油田信息化。