基于LoRa技术的油田井口数据监测系统设计

孟开元+韩佳佳+曹庆年+张珂

摘要： 关键词： 中图分类号： 文献标志码： A文章编号： 2095-2163（2017）06-0083-03

Abstract： The working environment of oil field is very complicated， and the existing ZigBee technology has limited transmission distance and too many nodes. Focusing on these problems， this paper puts forward a design of oil field wellhead data monitoring system based on LoRa technology. The system takes the SX1278 chip as the core， and adopts the startype network to realize the functions such as collection， storage， transmission and display of oil field wellhead data.

0引言

油田井口数据是反映油井设备正常工作的重要指标，油井设备的正常工作有助于提高整个油田的安全性和生产效率。目前，油田井口数据监测主要是采用ZigBee技术。但是，随着油井数量越来越多，井口数据采集的节点与节点、节点与网关之间的距离也越来越大，又因为ZigBee技术的通信频率高，信号在传输中衰减非常快导致传输距离有限、易受干扰、传输过程中产生了众多节点而导致网络结构复杂[1]，无形中增加了成本并且对后期维护带来诸多不便。

LoRa（Long Range，远程）技术是一种LPWAN（低功耗广域网）通信技术，具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特性[2]。本文将LoRa技术应用到井口数据监测系统中，实现远程数据监测，大大减少了节点的数量，节约了成本，便于后期维护。

1系统总体设计

近年来为实现油田在产能、成本上的突破，现代油田逐渐向智慧化方向发展，甚至提出智慧油田系统，本文所做的工作就是向这一目标迈进。该系统是在LoRa技术的基础上重新设定用于监测油田井口数据的一套系统。

在此之前，应用于这套系统中的是ZigBee无线技术，ZigBee技术的主要特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率以及成本低[3]。正因为这些特点，ZigBee技术得到了广泛的应用，但是随着技术的不断变革，越来越多的新技术陆续涌现，其中以LoRa和NB-IOT（Narrow Band Internet of Things）的新兴技术对传统的技术形成了巨大的冲击。在综合考量之后，该系统引入了功耗低、抗干扰能力强、传输距离更远的LoRa技术进一步降低生产成本。

系统总体网络结构如图1所示，主要包括数据终端、LoRaWAN网关、 LoRaWAN服务器和用户终端4个部分。

数据终端由各个井口的众多仪表组成，采用星型组网方式，用来采集油田井口的各种数据，包括压力、载荷、功率等，并将采集的数据通过LoRa网络发送至LoRaWAN网关；LoRaWAN网关主要负责通过LoRa网络与各传感器节点间数据的接收和发送，同时将收到的数据通过以太网上传至LoRaWAN服务器；LoRaWAN服务器主要用于存储和处理采集的数据，智能分析每个传感器节点的工作状态，提取具有价值的信息，便于用户访问和使用；用户终端主要是为用户提供1个数据访问的平台。由此可见，该系统的设计不仅为用户提供了便捷的查询和管理功能，有助于该领域走向智慧化、人性化。

2关键技术及系统设计

2.1系统网络拓扑设计

LoRaWAN网络选择星型拓扑结构，其相较于mesh网络的优缺点如表1所示。

2.2硬件设计

本系统的MCU芯片STM32L072CZ是基于ARM Cortex-M0+架构的微处器，具有 192 KB的存储容量、20 KB的RAM、20 KB的EEPROM，能够满足仪表系统所需要的空间。硬件设计中，所选用的传输模块是SX1278。 SX1278芯片是SEMTECH公司推出的带扩频调制解调技术的产品，由于其相对传统的FSK和OOK调制系统传输距离远、抗干扰能力强，加上SX1278工作在ISM开放的频段，无需授权[5]。考虑到以上因素，最终选择以SX1278为核心的LoRa模块。数据终端和LoRaWAN网关中都用到了SX1278模块，其对应的节点结构图如图2所示。

2.3软件设计

该监测系统，除了使用最新的LoRa扩频技术外，还用到了LoRa联盟为LoRa通信网络设计的一套通信协议和系统架构LoRaWAN。

LoRaWAN协议主要有3类通信方式：终端双向通信（A类）、具有接收时隙的终端双向通信（B类）和最大接收时隙的终端双向通信（C类）[5]。在3类通信方式中因为接收窗口的开放时间有所差异：A类只在发送数据后很短的时间内打开接收窗口来接收下行数据，主要应用有垃圾桶监测、烟雾报警器、气体监测等；B类在发送数据后每隔一段时间启动接收窗口接收下行数据，主要应用有阀控制水气电表、仪表等；C类除了发送数据时，接收窗口一直处于打开状态，主要应用有路灯控制等。这种接收机制直接导致A类功耗最低，C类功耗最大[6]。另外，规定高级类的附加功能向下兼容低级类，所有的LoRaWAN终端必须实现A类的功能[7]。

1）LoRa调制解调器配置。LoRa调制解调器的配置如图3所示。

LoRa调制解调器采用专有的调制解调程序，将扩频调制与循环纠错编码技术结合起来，从而提高了链路预算和抗干扰性。图3显示了发送和接收信息的简要过程。其中，LoRa调制解调器拥有独立的双端口数据缓冲FIFO，而且在所有運作模式下均可通过SPI接口访问该通道。选定LoRa调制模式之后，配置寄存器中SX1278的映射关系发生变化。endprint

2）LoRa数据分析。LoRa数据包包括前导码、可选报头、数据有效负载三部分组成[8]。前导码使用来保持接收机与输入的数据流同步。前导码一般长12字节，长度可以通过编程设置。LoRa数据包结构如图4所示。

在发送模式下，仅在需要发送数据包数据的时候才会启动射频模块、PLL模块及PA模块，这样可以优化功率消耗率。数据终端既要完成仪表数据的采集，也需要通过LoRa网络上传和接收数据及命令。其中，LoRa典型的数据发送和接收序列分别如图5、6所示。

3系统测试与分析

搭建测试环境，验证该数据监测系统运行的实际效果。测试中需要2个LoRa仪表，1台PC机，其中1个仪表通过RS-232方式与PC机连接，利用串口调试工具显示两者之间通信的实时情况。测试的中心频率为433 MHz、发射功率20 dbm、串口波特率9 600 bps、数据位8 bit、停止位1 bit。

为了能测试出最大的通信距离，在空旷的郊区选取不同的位置进行大量测试，每次发送数据包100个。部分测试情况如表2所示。

4结束语

本文将低功耗广域网技术应用到油田井口仪表数据传输中，通过新型的LoRa无线网络和公网实现用户终端和油田井口仪表之间的通信，达到用户终端远程监测各个仪表的数据和运行状态。本文从系统的网络结构、软硬件设计方面进行了详细的分析。从测试结果表明，系统通信距离远、功耗低、成本低，能极大地满足数据监测系统的需求，应用前景非常广泛。

参考文献：

[1] 赵太飞， 陈伦斌， 袁麓，等. 基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制， 2016， 24（9）：298-301.

[2] 刘琛，邵震，夏莹莹. 低功耗广域LoRa技术分析与应用建议[J]. 电信技术， 2016， 1（5）：43-46，50.

[3] 赵静，苏光添. LoRa无线网络技术分析[J]. 移动通信，2016，40（21）：50-57.

[4] 王阳，温向明，路兆铭，等. 新兴物联网技术—LoRa[J]. 信息通信技术， 2017（1）：55-59，72.

[5] THIELEMANS S， BEZUNARTEA M， STEENHAUT K. Establishing transparent IPv6 communication on LoRa based low power wide area networks （LPWANS）[C]// Wireless Telecommunications Symposium（WTS）. Chicago， IL， USA： IEEE， 2017：1-6.

[6] LI Lingling， REN Jiuchun， ZHU Qian. On the application of LoRa LPWAN technology in sailing monitoring system[C]//2017 13th Annual Conference on Wireless Ondemand Network Systems and Services （WONS）. Jackson， WY， USA：IEEE， 2017：77-80.

[7] 杨磊，梁活泉，张正，等. 基于LoRa的物联网低功耗广域系统设计[J]. 信息通信技术， 2017（1）：40-46.

[8] 龚天平. LORA技术实现远距离、低功耗无線数据传输[J]. 电子世界， 2016（10）：115，117.endprint