基于LoRa的多油气井监控系统

岳林 梅大成 陈亚萍

摘要：LoRa（LongRange）是semtech公司创建的低功耗局域网无线传输技术，具有长距离，低功耗，速率低等特点，应用在石油领域的场景具有良好的效果。针对多油气井环境复杂，数据难采集且油气井分散，缺乏对数据集中管理的问题，设计了一种基于LoRa的多油气井的监控系统。该系统通过LoRaWAN协议进行数据传输，并能将各个油气井的传感数据采集并上传至云端，以实现多油气井的智能化管理。

关键词：LoRa;监控系统;LoRawWAN;油气井智能化

中图分类号：TP39 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）06-0264-03

1概述

随着工业自动化的不断发展，在石油领域里，各个油气井的数据复杂，数据难以采集且油气井分散，缺乏对数据集中管理。为解决多块油气井上数据难以采集，布线困难，数据繁多等问题，本文设计了一种基于LoRa的多油气井监控系统。

LoRa作为低功耗广域网的典型技术具有以下特点：超长距离的传输，功耗低，数据量小，网络容量大等。LoRa采用线性扩频调制技术，高达157 dB的链路预算使其通信距离可达15 km以上（与环境有关），空旷地方甚至更远。相比其他广域低功耗物联网技术，LoRa终端节点在相同的发射功率下可与网关或集中器通信更长距离。LoRa网络工作在非授权的ISM频段，前期的基础建设和运营成本很低。

2系统总体架构

在该系统中，主要由若干传感器、若干LoRa节点、若干Lo-Ra网关组成。根据LoRa特性，整个系统的网络拓扑采用星型网络。传感器、节点和网关的数量根据油气井的数量来确定，油气井上的数据通过LoRa节点的传感器采集，再经过LoRa节点的射频模块发送给LoRa网关，通过网关将数据上传至监控软件。如图1为多油气井监控系统的总体架构。

3硬件结构设计

在硬件的设计中，主要是以节点的设计为中心。对于节点传输来说，既要满足数据的及时上报，也要满足节点的低功耗。图2为硬件节点设计架构。

射频模块采用的是Semtech公司开发的SXl276模块。SXl276射频模块实现了-148dBm以上的灵敏度。高灵敏度与集成的+20dBm功率放大器相结合，产生了业界领先的链路预算，使SX1276射频模块成为需要范围或耐用性的任何应用场景的最佳选择。

整个节点的硬件部分主要由，传感器模块，SWD烧写模块，GPIO口，LED模块，SPI接口，电源组成。主控芯片STM32L0系列芯片与SXl276射频模块间的通信通过SPI实现。传感器与主控芯片间通过12C或者SPI进行通信。传感数据先通过传感器经过MCU的简单处理后，将数据传给SXl276的射频模块，通过射频前端LoRa的扩频调制技术将传感数据发射到网关。

4系统软件设计

4.1软件协议

LoRaWAN是LoRa联盟针对LoRa终端低功耗和网络设备兼容性定义的标准化规范，主要包含网络的通讯协议和系统架构。LoRaWAN的标准化保证了不同模块、终端、网关之间的互操作性，物联网方案提供商和电信运营商可以加速部署。

相比其他有线或无线物联网解决方案，基于LoRaWAN传输技术的油气井物联网具有如下优势：

（1）网络拓扑为星形组网，维护费用低;

（2）组网的成本低;

（3）功耗很低，节点可用电池供电;

（4）传输距离远;

（5）ISM非授权频段，适合油气井专属的网络建设;

（6）端到端加密，确保用户数据的传输安全性;

（7）数据分发接口多，支持WebSocket和HTTPS等协议。

LoRaWAN协议定义了三类节点，这样做的好处是，用户可以根据应用场景、节能需求和唤醒时延，灵活地选择最佳的种类。而且协议允许节点在运行中根据需要，进行A类和B类的切换。三类节点的优缺点比较如表1所示。

在正式收发数据之前，节点都必须先加网。节点有两种加网方式：

（1）空中激活方式（OTAA，Over-the-Air Activation）

（2）独立激活方式（ABP，Activation by Personalization）

LoRaWAN网络采用OTAA激活流程，这样安全性才得以保证。此种方式需要准备DevEUI、AppEUI、AppKey这三个参数。节点在发起加网请求流程后，发出加网命令，网络服务器确认无误后会给节点返回加网回复，分配网络地址DevAddr，双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey，产生会话密钥NwkSKey和AppSKey，用来对数据进行加密和校验。图3为OTAA激活流程。

LoRaWAN网络数据传输速率范围为0.3 kbps至37.5 kb-ps，为了最大化终端设备电池寿命和整个网络容量，Lo-RaWAN网络服务器通过一种速率自适应（ADR）方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出。

4.2监控管理软件

在监控管理软件的设计中，首先对监控软件进行需求分析。首先对监控管理软件进行功能划分，主要的功能是可以对各个油气井的状态信息进行可重复的查询，对于不同的油气井要实现多线程同步的查询，其次的功能可以根據传感数据来进行系统报警。根据监控软件的需求分析，所要实现的功能为：

（1）多油气井状态查询;

（2）传感数据的监控;

（3）传感器数据的报警。

图4为多油气井监控系统的主界面。

在对一个油气井查询后，对传感数据的监控主要是通过对传感数据的显示，每1秒对传感数据进行更新，使监控人员能够更加方便直观的通过当前的传感数据对油气井的状态进行分析与预测。图5为传感数据的监控界面。

在传感数据的监控和报警界面设定传感器的报警上下限的数据范围。当接收到的数据大于上限或者小于下限时，对该传感器节点的状态颜色改变来达到报警的效果。图6为压力传感器节点的报警图。

5结论

本文设计的基于LoRa的多油气井监控系统主要负责采油井、注气井、勘探井等多个种类油气井的压力、温度、流量等传感数据的采集和监控，在数据复杂且多样的情况下通过此系统能够有效地提高数据采集速度和油气井管理效率。由此可见，LoRa技术对石油工业自动化领域有广阔的发展前景。