Zigbee 无线传输技术在油田数字化建设中的应用探讨

王磊

（大庆油田创业集团新世纪实业公司，黑龙江 大庆 163000）

随着经济的快速发展，我国对石油的需求量不断上升。我国主要油田分布在东北、新疆、华北等地区，油井较为分散，地处偏僻地区，给油田油井生产管理带来了难题。以往我国大部分油田油井现场数据采集传输通过有线方式，在抽油机上安装传感器，通过电缆将数据传回监控中心，这种传输方式线路铺设成本高，管理维护难度大。近年来，随着无线通信技术快速发展，Zigbee 技术广泛应用于油田数据采集机传输系统中，节省了人力物力，提高了工作效率，推动了油田数字化建设的进程，对油田发展具有重要意义。

1 无线传输技术在油田中应用意义

现阶段，我国部分油田油井数据采集、监控使用传感器采集数据，通过有线的方式将数据传回控制中心，然后对数据进行分析处理，实现对油井的管理。由于油井数量繁多、分布广泛、地处偏远地区、地势复杂，造成线路铺设成本高、路线长、维护难，增加了油井管理成本，管理效率有待提高。对于一些偏远地区的油井，以往采取定期巡视检查的方式管理，不仅浪费人力，油井管理人员的安全也受到影响。为了加强对油井的监控和管理，应用成本低廉、可维护性好的无线传输技术成为必然。Zigbee 是一种短距离、低传输速率的无线通信技术，使用该技术能够对无线传感器进行组网，实现节点间无线传输，可以对油井进行远程监控管理，提高了油井管理效率。

2 Zigbee 技术特点

2.1 Zigbee 技术特点及优势

Zigbee 技术以IEEE802.15.4（低功率无线个人局域网协议）为规范，广泛应用于各种设备传输中，是一种价格低廉、能耗低、组网方便、自组织、数据速率低、距离近的无线传输技术，其技术特点表现在以下几个方面：（1）能够自我配置，当检测到新的设备连入网络时，能够自动更新和优化网络路径。（2）能够自我修复。通过动态更新各设备间的连接，避免出现路由器故障。（3）能耗低。该技术能够将节点间干扰将至最低，降低能耗，延迟电池使用寿命，增加网络使用时间。（4）通过网络中大量设备的连接，极大地缩短了网络故障时间。（5）具有较好的扩展性和灵活性，采用网状网络，网络节点间能够重组路由。

正是由于Zigbee 技术具有以上技术优势，在环境恶劣、干扰条件多的情况下能够提高稳定可靠的无线传输，加之其能耗极低，在油田无线数据传输中具有明显优势。

2.2 Zigbee 技术简介

Zigbee 技术以IEEE802.15.4 规范中定义的三个频段来通信，这三个频段分别是2.4GHz、915MHz 和868MHz，不同频段数据传输速率不同。ZigBee 协议栈由物理层（PHYC）、MAC 层、网络层（NWK）、应用层（APL）构成。物理层规定了无线信道和介质访问控制子层之间的连接部分，负责数据服务和管理服务。其中，数据服务通过无线物理信道来收发数据，管理服务能够实现对数据库的维护；MAC 层位于物理层的上层，负责处理物理信道的访问，并且为物理层提供服务；网络层是协议栈的核心，负责网络中各种设备的连接、分离、设备的接受和抛弃、寻找路由、信息传输等，能够采用星型或树型网络结构；应用层是Zigbee 协议栈的最高层，为其他三层提供服务。

2.3 Zigbee 设备类型

根据设备在Zigbee 网络中的作用来划分，Zigbee 设备可以分为协调器、路由及终端，其中，Zigbee 协调器可以作为网络中心节点，是FFD 类型，一个Zigbee 网络中只能有一个协调器节点，FFD 协调器功能强大，是整个无线网络的主要控制节点；路由器节点也是FFD 类型，能够进行路由的挖掘和网络信息传输，实现与其他节点的相互连接，还能作为普通协调器节点来使用；终端节点可以是FFD 类型或RFD 类型，通过协调器节点和路由器节点连接到网络中，其功耗较低。

2.4 网络拓扑结构

Zigbee 网络拓扑结构有星型、树型和网格型，不同的拓扑结构具有各自优点。星型拓扑结构中，协调器处于中心位置，既负责组网，也负责管理网络，终端节点位于四周，通过协调器进行数据传输；树型拓扑结构通过簇树路由进行信息控制与收发，树枝处节点为RFD 类型，簇首受到协调器控制，树型拓扑具有覆盖范围广的特点，但是覆盖规模过大会影响传输速度；网格型拓扑通过多个FFD 节点连接形成主干网，网络中不同节点之间都可以传输数据，主干网中的节点能够通过与其他节点连接组建自己的子网，网格型拓扑结构可靠性好、自我恢复能力强，传输路径选择多，一条路径出了问题，还可选择其他路径传输，其多路径也会造成高冗余，影响传输速度。三种网络拓扑结构如图1 所示。

图1

3 Zigbee 组网技术

Zigbee 协议内容相对简单，实用性强，多应用2.4GHz波段，采用跳频技术，与其他无线传输技术相比，Zigbee 传输速度相对较慢，但成本较低，且能耗更低，利用Zigbee无线网络组网，可以容纳65000 个无线模块，每个模块之间都可以进行进行通信，通信速率为250Kb/s。正是Zigbee 系统的这些优点，非常适用于油井数据采集及监控。

针对采油厂油井比较分散的情况，采用增大Zigbee 的RF 发射功率，使无线网络节点通信距离达到3km，对油田中成百上千口油井进行区块划分，每个区块中容纳一定的油井，这些油井的RTU 之间形成一层Zigbee 网络，每口油井有多个无线传感器，无线传感器与RTU 之间组成一层Zigbee 网络，以上两层网络构成了区块Zigbee 无线传感器的网状网络。在这个区块网络中无线传感器属于终端节点，油井的RTU 属于网络路由节点，区块需要一个协调器节点。通过构建的Zigbee 网络，将油井的油压传感器、套压传感器、位移传感器、载荷传感器、电流传感器、电量模块等无线传感器连入网络，能够实时采集油井的油压、套压、位移、载荷、电流、电量等参数，然后将这些参数通过Zigbee 网络汇总到协调器节点，协调器节点再通过GPRS 将数据传输到数据中心，实现对区块油井的监控与管理。

4 结语

随着技术的不断发展，油田开发方式不断进步，应用信息化、智能化手段合理高效开发油田是大势所趋，建设绿色数字化油田成为主题。如何高效开发油田、降低污染和能耗是油田研究的课题，计算机技术、无线通信技术、自动化技术的应用能够大大推进油田数字化建设进程。无线通讯技术具有广泛的适用性，使用成本更低，简化了作业流程，大大提升了油井管理效率。