无线传感器网络视域下的井场设备远程监控系统研究

刘艳荣

摘要：对于现代石油钻井的分布比较广，并且环境较为恶劣的情况，本文实现井场设备远程监控系统的设计，完善目前钻井测量参数有线传输可移动性较差的问题。本文对系统整体设计框架进行分析，基于无线传感器网络视域中实现井场设备远程监控系统的设计，利用AdHoc网络模式节点实现系统测试，包括数据收集及无线传输功能，表示系统使用效果良好。

关键词：无线传感器网络;井场设备;远程监控

中图分类号：TP393      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2019）01-0250-03

在现代通信技术、计算机技术及网络技术不断发展的过程中，促进了油井远程监控系统的发展。在油田早期开采过程中，并没有使用远程监控系统实现设备监控，而是使用人工方式实现检测，不仅浪费时间，还浪费精力，而且数据的时效性比较差。在工业自动化不断发展的过程中，油田设备远程监控系统也逐渐被研发，提高了油田管理及生产的可靠性及高效性。目前现有现场总线技术在工业控制方面使用，但是油田分布在野外，并且位置较为分散，如果使用有线方式实现数据传输，要铺设较长电缆，具有较高的成本，并且电缆还比较容易损坏及老化，后期维护需要大量的资金。基于此，本文就使用无线传感器网络实现井场设备远程监控系统的设计，以此提高现场设备运行的可靠性及油田生产安全性。

1系统的整体性设计

本文所设计的无线传感器为基础的井场设备远程监控系统在油井、油田等无人值守环境中使用，要求其对捕获数据进行处理，并且还要具有中心服务节点实现数据处理及分析。另外，现场数据要在远方监控显示器中进行展现，从而供工作人员进行查看，及时的发现问题并且处理。所以系统主控机房尤为重要。以此，以功能需求设计系统的各个部分节点相互连接，在实践中得到满意效果及性能。其次，系统中的中心服务节点及收集节点要利用无线方式实现数据传输，无线传输使用WiFi或者ZigBee实现。其主要区别就是传输带宽及功耗方面。ZigBee的功耗比较低，但是数据传输速率也比较低。但是WiFi具有较高的传输速率，但是其能耗也比较高。对于特殊应用需求，在传感器网络控制信息及少量数据传输过程中使用ZigBee，在视频、图片等密集传输过程中使用WiFi。在某情况中，ZigBee及WiFi能够同时使用，从而使指定设计需求得到满足[1]。图1为系统的整体架构。

1.1系统功能需求

从整体方面分析，系统属于远程监控系统，实现智能收集、无线传输、实时记录及计算机分析等。远程收集节点实现监控中心远程主机发送的命令，从而实现功能的扩展，其节点功能需求为：

其一，采樣节点。收集参数并且识别状态，利用传感器实现环境参数的收集，比如温度、湿度及气体的密度等。状态识别主要包括现场设备的状态，从而对设备是否运行进行判断，假如设备在运行过程中出现故障，就要对主控机房进行反应，及时使用处理对策。

其二，监控中心。实时监控钻机设备的运行情况，石油钻井人员利用主控机房显示器实现钻机等设备工作情况的实时检测，如果发现运行故障要及时使用策略进行处理。

其三，中心服务节点。处理数据并且传输，利用采样节点的原始数据朝着容易理解数据进行转变，所以要求节点具有数据处理的功能。另外，数据传输使原始或者处理之后的数据利用无线，到主控房传输并且存储[2]。

1.2系统功能模块

通过分析上述节点功能，实现相应功能模块的设计。包括参数检测和收集模块、主控房中心控制模块、中心服务接待女数据处理等模块。参数收集模块包括传感器，中心控制模块对某时间使用哪个模块进行决定。

2系统的硬件电路设计

2.1数据收集节点

此节点在抽油机设备中设置，收集现场数据并且逐级地对上面进行传输。充分考虑实用性及经济性，此电路设计包括无线通信、处理器、供电及传感器四个模块，图2为ZigBee节点的原理[3]。为了能够有效节约成本，集成控制器及无线收发器作为JN5139模块，此模块包括32位RISC核，其中还内嵌满足需求的无线收发器件，为无线传感器网络使用提供低成本解决方案。传感器模块以设计的需求选择合适传感器，每个节点实现不同传感器的选择，从而满足不同监测点的需求。传感器节点使用定时唤醒间歇工作方式，定时将传感器节点从休眠状态唤醒朝着数据采集转变，并且对路由节点实现信息的发送，之后进入到休眠状态[4]。

2.2监控中心电路设计

监控中心利用GPRS模块得到检测数据，利用RS232接口到监控中心PC机中传输。此部分电路设计指的是MC55模块利用标准RS232接口连接数据中心计算机。MC55模块串口逻辑电平属于+2.65V，能够和PC串口电平相互匹配，使用电平转换芯片实现转换。

3系统的软件设计

3.1基站软件的设计

局域网络中的主基站属于网络协调器，实现自身初始化，并且创建网络，使基站作为路由器到网络中融入，创建星行网络[5]。基站程序设计功能主要包括：

其一，数据收集。全部的ZigBee模块收集仪表数据，实现继电器状态信息的读取，在RAM中存储。之后，主基站对从基站轮询，被询问的从基站利用ZigBee协议使收集的数据和自身短地址对主基站进行发送，根据基站段地址实现数据存储。最后，上位机实现主基站的轮询，被询问的主基站使集中的数据和自身ZigBee局域网地址通过Modbus协议，利用GPRS对上位机进行发送。上位机以ZigBee局域网地址和短地址实现不同基站的区分，实现基站数据的正确存储和展现。

其二，电机控制。上位机利用Internet和GPRS网络对主基站实现控制命令的发送，通过主基站对基站下达，以此对基站继电器动作进行控制，有效控制油井抽油机[6]。

3.2串口通信程序设计

串口通信程序主要包括串口初始化函数、从串口读数据函数、向出口写数据函数，并且使CC2430中的PO2及PO3实现UART模式的配置。在实现串口读写数据以前，要实现串口属性的配置，设置串口波特率为19200bps，八位数据为，一位停止位，在相应函数中实现串口初始化。

节点在接收数据命令之后，通过函数使数据到串口中发送。读取串口数据，使用串口中段方式实现出发，利用调整函数读取数据，并且实现数据事件的发送，对应用层通知，实现数据后续处理。

3.3计算机通信程序

示功仪及其他传感器都设置了无线传输模块，系统相互连接的方式主要为PC机与RTU利用无线或者有线网络相互连接，RTU利用无线传输模块实现数据的收发，示功仪属于传感器组的网关，自身使用加速度及载荷传感器数值，并且还实现温度、压力传感器及电量的接收及存储，之后通过处理对RTU进行发送。

其一，计算机对传感器发送指令的时候，PTU的工作流程为：两者利用网线相互连接，通过TCP创建通讯链路。RTU利用PC机TCP端口的监听，得到PC机中发送的数据包，之后实现数据包的解析。假如数据包为报警应答，那么就对传感器直接发送。假如数据包为收集数据命令，那么对命令帧进行重新组织，之后对传感器进行发送。假如发送失败，那么PC机就会重新发送，直到成功发送。然后RTU就会对TCP继续监听[7]。图3为PC机对传感器发送相应指令。

其二，在传感器接收到PC命令之后，RTU的工作流程为：发送数据包包括应答数据包及采集数据包。PC对传感器发送休眠、采集数据及唤醒三种命令，并且传感器还会对PC机恢复采集数据包、唤醒应答及休眠应答。传感器在对PC机响应的过程中，RTU对串口实时监控，包括串口是否具有传感器利用无线模块实现数据信息的发送，假如接收数据信息，对此数据包进行解析。假如数据包为非法数据，丢弃继续监听。假如数据包为合法数据，对其是否为应答数据包进行判断，假如是，将此数据包丢弃，假如不是，那么此数据包就为传感器收集数据包，利用TCP端口对PC机进行发送。

3.4无线收发模块的设计

在设计无线收发模块过程中，使用Nodic公司的VLSI技术，其能够提供高速数据传输，并且不需要昂贵高速MCU实现数据处理。利用使和RF协议相关的高速信号在芯片中处理，其能够为应用提供微控制器SPI接口，速率通过微控制器设置。在ShockBirst模式中，地址匹配及数据准备就绪信号通知MCU有效地址及数据包各自接收完成。能够使MCU存储器需求降低，并且降低成本，缩短软件开发的时间[8]。

4结束语

在现代科学技术不断发展的过程中，油田勘探开发管理等领域一体化、现代化管理进程不断推进的过程中，采油队信息化建设也逐渐成熟。本文实现了无人值守基于无线传感器网络的石油钻机远程监控系统设计，利用使用Wifi模块进行无线传输，不仅具有足够宽带，还能够使系统数据无线传输功耗降低。通过实际使用表示，系统反应良好，能够满足石油钻井工程现场参数收集和分析处理，对生产工况集中监视也非常有利，方便现场人员的操作。

参考文献：

[1] 任燕，刘娇月.油田井场工况监测中的ZigBee数据通信技术应用[J]. 电气传动自动化，2015（3）：42-44.

[2] 王勇.基于Zigbee技术在井场安全监控系统的研究[J].石化技术，2017，24（12）：224-224.

[3] 刘策， 于庆栋， 仇春松，等. 一种自动化钻井井场监测系统： CN106060151A[P]. 2016.

[4] 麗娜. 井场参数无线自动采集系统[J]. 油气田地面工程， 2014（11）：87-88.

[5] 胡自强. 基于多无线传感器网络的电力设备安全监控系统研究[J]. 电子世界， 2013（13）：53-54.

[6] 孙永坚. 基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计[D]. 吉林大学， 2014.

[7] 杨磊. 基于物联网的井场安全监控系统研究[D]. 西安石油大学， 2016.

[8] 仝迪， 牟建云， 甯鸿，等. 基于ZigBee无线传感器网络的井场环境监测系统设计[J]. 科技视界， 2015（4）：10-11.