基于ZigBee技术的自动化仪表在油田中的应用分析

许钦云

（大庆油田设计院，黑龙江 大庆 163000）

油田中有流量计、温感计和压力表多种仪表设备，上述仪表的安全运行决定油田生产效率以及使用效益。因为油田生产期间作业环境较为恶劣，因此，结合实际需求设计出自动化运行仪表，能够提高油田生产效率，并且保证仪表数据高度精准。在物联网发展过程中，各类新技术和产品逐渐推广，Zigbee技术属于新型通信技术，其应用在油田的仪表中，能够实现自动化控制，属于油田当中仪表自动化系统常用的无线通信技术。

1 Zigbee技术的应用优势

Zigbee技术和Wi-Fi技术、蓝牙技术等类似，属于常见的短距离的无线传输类型技术，能够结合特定场景传输需求，完成无线传输。还可以结合传输速度、消耗电量以及传输速度等需求，灵活应用。综合对比，Wi-Fi技术在安全性方面尚未完善，而蓝牙技术使用环节，需要复杂的协议，并且传输的速度相对较慢，还需消耗较为复杂的芯片成本，传输距离可能受到限制。使用Zigbee技术能够利用IEEE802.15.4准则，完成无线通信，结合应用环节输出功率以及传输环境需求，综合确认传输距离。

Zigbee技术应用过程，处于10～70m的传输距离内，拥有良好的传输效果，能够适合多频段传输。如2.4GHz频段、915MHz频段、868MHz频段，传输速率最高可达250kb/s。同时，Zigbee技术应用过程，具有较高的安全性，通信环节时延较短，能够灵活组网，可高度兼容，功率损耗较低，且施工成本低。因其具备上述优势，大量应用在远程控制以及自动化控制等领域当中。Zigbee技术能够应用在高度复杂的环境，并且便于携带与固定。在油井上，能够一步完成数据采集设备的布线，因此，可以在一定程度上将施工成本和工期缩短。设备使用过程，相互之间不会产生干扰，因此，系统运行高度稳定，安全性也有所提升。油田仪表的数据流量相对较小，并且实时性相对较低，所以，Zigbee技术在油田自动仪表当中较为适用。

2 Zigbee技术在自动化仪表中的应用

2.1 网络协议与结构

Zigbee技术属于一种无线网络协议，能够按照低速率的控制网络展开设计。共有两种形式，分别为Zigbee联盟与IEEE802.15.4协议。使用IEEE802.15.4协议作为MAC层和物理层，使用Zigbee联盟作为应用层、网络层等。

Zigbee接口的物理层当中，共有3个工频，其中，2.4GHz频段上有16个信道，最高传输速率能够达到250kb/s；在915MHz频段中，共有10个信道，最高传输速率可达40kb/s；在868MHz频段上，有1个信道，最高传输速率可达20kb/s。但是，在实践应用阶段，可能受到数据包损耗和响应延迟等影响，导致速率难以达到上限。使用简易、灵活的方式，设置MAC层协议，能够实现低成本和低功耗等优势。Zigbee协议的应用，能够适合多种逻辑的链路层标准，还支持MAC层的IEEE802.15.4相关服务。除此之外，Zigbee协议还能借助CSMA/CA信道以及握手协议等接入方式，使得信道接入传输数据更加稳定和可靠。

利用IEEE802.15.4协议标准，使用Zigbee技术，能够将MAC层上方协议确定下来，组成部分包括网络层、安全层和应用层。在应用层中，能够辅助设备完成业务发现与业务汇聚等数据流操作；通过安全层，能够捕捉节点信息，防止终端设备出现信息泄露的问题；在网络层中，主要利用Adhoc技术，能够实现低功率和低成本的传输。

2.2 平台总体设计

在Zigbee技术应用过程，需要开发出完整的平台，使用MCU+RF硬件，MCU控制模块使用MSP430F1611作为系统模板，并利用Zigbee收发模块作为CC2420模块，并使用过SPI模式通信。

2.3 设计控制模块

（1）MSP430芯片设计。油田中，自动化仪表组成部分包括供电线路、Zigbee通信电路、主控器、传感器以及显示电路等。其中，主控器主要是借助传感器，将仪表信息进行采集，并通过显示器呈现出来，利用Zigbee发射电路进行发射。油田的自动化仪表，均需通过传感器完成信号采集，并通过简单转换，利用显示器显示出来。之后，再通过Zigbee电路进行发射。在此过程中，无须经历较为复杂数据计算，只需选择适合的微控制器，即能达到设计要求。可选择MSP430系列单片机，采用16位精简的指令架构，并具备低功消耗特性，可以满足电池的供电需求，具有较强的运算能力，稳定性也较强，可应用在工业仪表的设计中。

由于处理器主频存在高低差异，可直接影响功率消耗，并且二者之间成正比，因此，为控制功耗，可将芯片工频降低。选择MSP430单片机，能够对时钟系统灵活配置，并且对于不同部分时钟实施分别控制，并对芯片之内不同部件工频灵活调节，最终对系统功耗进行动态化调节。处理数据时，能够将对应时钟开启，并将工作频率提高，确保任务的实时性。并在芯片空闲时，将部分时钟关闭，进而将芯片功耗有效降低。

（2）CC2420芯片设计。利用CC2420芯片，完成Zigbee电路设计。由于此类芯片具有高度的集成化特点，因此，射频电路中需要的元件相对较少。使用内置电源展开电源电路管理，需要将供电电压控制在2.1～3.6V。如果借助外部电源展开电路管理，只需保持供电电压处于1.6～2.0V即可。电路采取“双休眠”这一模式，相互切换需要消耗的功率损耗较小。

针对大部分的应用来讲，芯片处于休眠的状态，能够降低功耗，并且适用于电池供电。使用过程，如果将稳压器关闭，则典型的消耗电流0.02μA；在空闲模式下，能够消耗426μA电流；处于发送模式下，可消耗电流17.4mA；处于接收模式下，消耗电流18.8mA。

2.4 通信测试

利用Zigbee通信的油田自动化仪表，传输字节数量可借助帧格式进行确认。在数据包中，有n+17个字节，在其中选择n个值，可实现循环传输超过1000次，当接收到数据包时，数据包的数量增加1，即可对接收数据展开进一步校验，经检验后，如果发现和发送数据数量相符，则正确数能够增加1，相反，则错误数可增加1，之后展开统计，能够计算出误包率以及丢包率。

当传输距离为10m时，可接收正确数据包999个，错误数据包1个，丢包率为0.000，误包率为0.001；当传输距离为20m时，可接收正确数据包996个，错误数据包3个，丢包率为0.001，误包率为0.003；当传输距离为30m时，可接收正确数据包993个，错误数据包5个，丢包率为0.002，误包率为0.005；当传输距离为40m时，可接收正确数据包987个，错误数据包8个，丢包率为0.005，误包率为0.008；当传输距离为50m时，可接收正确数据包981个，错误数据包10个，丢包率为0.009，误包率为0.011；当传输距离为60m时，可接收正确数据包979个，错误数据包12个，丢包率为0.009，误包率为0.012；当传输距离为70m时，可接收正确数据包973个，错误数据包15个，丢包率为0.012，误包率为0.015；当传输距离为80m时，可接收正确数据包945个，错误数据包31个，丢包率为0.024，误包率为0.031；当传输距离为90m时，可接收正确数据包905个，错误数据包46个，丢包率为0.049，误包率为0.046；当传输距离为100m时，可接收正确数据包832个，错误数据包116个，丢包率为0.052，误包率为0.116。

通过上述分析，可以看出，当传输距离越大，字节越多时，使用ZigBee技术传输数据的丢包率、误包率等也不断增加。并且当传输距离在10～70m时的数据传输准确率相对较高。但是，超过70m以后，准确率降低。可见，ZigBee技术适合应用在近距离传输。

此外，为保证数据稳定传输，还可以通过降低发射速率、缩短实时通信距离以及避让障碍物等方式，满足油田仪表传输需求，实现稳定生产。

3 结语

油田管理环节，需要使用各类自动化仪表，利用ZigBee技术能够实现对仪表的自动化控制，结合IEEE802.15.4标准，分析ZigBee协议以及网络构架，并建立控制模块，满足油田仪表的自动化控制需求。