基于Zig Bee组网的通信组合技术与路由协议算法的优化

杨军 李丹 魏斌 张飞朋

1大庆油田设计院有限公司

2中国石油天然气管道工程有限公司

3华北油田公司物资分公司第二供应业务部

4中国石油新疆油田分公司采油二厂

随着油田自动化、数字化的快速发展，对油田建设相配套的网络和通信技术要求越来越高，特别是山间、野外现场集中的油水井数据采集，存在通信信号不稳定等问题。对此，不仅要考虑传输速率，还要考虑稳传输定性、成本、失效性和时延性等问题。

Zig Bee 技术是一种新的无线通信技术，它使用CSMA-CA 技术解决数据冲突问题[1]，使用16-bit CRC 来确保数据的正确性。其中，基于Zig Bee 2007 协议的SoC 芯片CC2530 每片价格不到20 元，采用1 节5 号电池可以为其持续供电三个月，具有低成本、低功耗的优点。该芯片还具有组网灵活的优势，可以嵌入各个设备，具有自我修复能力。采用AES-128加密技术，对传输数据进行加密，在保障了安全性的同时，兼具高可靠性、低成本、低功耗、短时延、组网灵活等优势，主要适用于远程控制领域。

Zig Bee 路由协议是该技术的网络层设计核心[2]，其路由算法主要分为Cluster-Tree（分支路由）和AODVjr（距离矢量路由）。两种路由算法各有优缺点：在失效节点个数与平均端到端时延方面，AODVjr较有优势，而Cluster-Tree 在节约能量方面较有优势。

1 山西煤层气田通信现状

山西煤层气田地势较高，山多人少，存在信号不稳定的问题。2 000多口井中，有1 300多口井在山上或者山间，现阶段主要有两种通信方式：Zig Bee 终端+McWill 和ZigBee 终 端+GPRS 传输 组合。两种通信方式不仅应用于单井，还应用于井组。单井自动化系统数据流向为传感器采集单井数据后，由Zig Bee 终端传感器直接通过油田专网Mcwill 或GPRS（移动公司开设的无线专网）将数据传送到远端服务器，实现数据的传输、存储和实时监控（图1）。使用该通信方式，一个井组（10口井）需要使用10 套Zig Bee 终端传感器（一体化示功仪）、10套GPRS模块和手机卡。具体传输流程见图1。

图1 山西煤层气田通信数据流向Fig.1 Communication data flow direction in Shanxi coalbed methane field

2 Zig Bee路由协议

某油田Zig Bee 采用的是Cluster-Tree 算法，利用特殊的网络地址分配来寻找路径，数据传输到的每一个新加入网络的节点都会选择一个有路由能力的节点为父节点，下一节点为子节点，且每个子节点只有一个父节点。

数据包传送到某一个节点，假如该节点不是目标地址，就会到父节点或者子节点寻找目标地址，直到找到目标地址（图2）。

图2 Cluster-Tree算法的数据流向Fig.2 Data flow direction of Cluster-Tree algorithm

由图2可以看出，该算法路由节点没有路由发现过程，即当节点收到数据包分组时，如果数据包的目的地址不是本身，就会把数据包发送给子节点或者父节点处理。当由父节点或子节点来转发数据包时，因为所经过的路径都比较远，所以数据包无法确定是否经过最短路径来传送，导致数据包经过多跳的数据传输，从而增大了数据传输的失效率和时延性。

综上所述，该算法存在以下问题：

（1）GPRS信号不稳定。因为上述Zig Bee终端传感器（一体化示功仪）必须安装在光杆上端，位置固定不变，如果该处恰逢无信号，会导致无线传输的数据连续性差，不能有效传输。

（2）针对井组的井场，需要多套Zig Bee 终端传感器（一体化示功仪）、多套GPRS 模块和手机卡，相对成本较高。

（3）成功传输到远程服务器的数据包有一定概率的失效性和延时性。每两个小时采集一张功图，会存在三天或四天丢失一张功图的问题；发送采集命令，在一定时间后，才会上来功图。

3 通信技术创新

Zig Bee 协调器主要负责建立一个新的网络以及网络参数配置，保证与其他设备间的正常通信，其数据流向如图3所示。

图3 ZigBee组网与GPRS模块通信数据流向Fig.3 ZigBee network and GPRS module communication data flow direction

针对井组，可以在每口井上安装Zig Bee 传感器终端，在每个终端进行传感器地址设置，通过无线传输到Zig Bee协调器上，由协调器通过GPRS模块将数据传送到远端服务器相应算产软件上。10口井绑定一个手机卡，通过传感器中RTU 地址进行区分处理，分类存储并利用功图算产。井组现场中，假如井口位置GPRS模块信号不稳定，可以将协调器摆放到信号相对稳定的地方进行GPRS数据传输。这种组合通信方式，需要10 套Zig Bee 传感器、1 个Zig Bee 协调器和1 套GPRS 模块，相较于之前的通信方式节约了成本。

4 算法结合优化

AODVjr 路由算法的主要特点是能根据源节点到目的节点最短路径来选择路由[3]，从而减少了重复广播次数，其缺点是多次广播分组而消耗过多的能量；Cluster-Tree 的主要缺点是数据包到达的节点如果不是目的节点，数据会通过该节点的子节点或者父节点进行传递，从而导致路径变远，但是没有经过广播分组，所以能量消耗相较于AODVjr要少。

结合Cluster-Tree和AODVjr算法，将网络中的节点分成两种类型[4-7]：①节点剩余能量充足，且有足够储存空间去完成AODVjr 算法；②节点能量不充足，且没有足够的储存空间，无法完成AODVjr算法。如节点能量不足，无法完成AODVjr 算法，将直接进行Cluster-Tree 算法。没有到目的节点的路由按照AODVjr 路由算法寻找通往目的节点的最优路径，找到目的节点后直接将数据包沿该最短路径直接发送，无需再将数据传送至子节点或者父节点[8]。也就是说，使用Cluster-Tree 传输方式按照AODVjr 优化的路线进行发送，从而在保证节约能耗的前提下，在一定程度上降低传输数据的失效性和时延性（图4）。

图4 优化后的数据流向Fig.4 Data flow direction after optimization

5 系统应用对比

山西煤层气田成庄华蒲井组的4口井设在半山腰，新的通信组合模式于2018年4月投入使用。

（1）之前由于井场远离信号基站，信号十分不稳定，于是为4 口井安装Zig Bee 传感器，将Zig Bee 协调器柜摆在井场东南角信号较好处，GPRS模块通信成功，数据包远传至服务器，完成采集、存储、算产等功能。该通信系统运行稳定、可靠。

（2）之前一个井组4 口井通信组合需要4 套Zig Bee 终端+4 套GPRS 模块（手机卡），而新的通信组合仅需要4套Zig Bee终端+1套Zig Bee协调器+1 套GPRS 模块（手机卡），在很大程度上节约了成本。

（3）针对Zig Bee 路由协议，使用NS2 仿真优化后的算法与前两种算法的失效节点和延长时间[9-10]进行比较。仿真场景共80 个节点，设置区域大小为800 m×600 m 的仿真场景，共80 个节点，仿真时间为200 s，每个网络节点的初始能量为100 J，整个网络总能量为5 000 J。仿真后时效性和平均端到端时间如图5、图6所示。

图5 失效节点与运行时间关系曲线Fig.5 Relation curve between failure node and running time

图6 平均端到端时间与节点个数关系曲线Fig.6 Relation curve between the average end-to-end time and the number of nodes

仿真结果表明：两种算法优化后，失效性和时延性明显得到了改善。由于该油田处于Zig Bee Cluster-Tree 算法的应用层，并不能直接对路由协议算法进行更改与完善，需将此情况尽快反馈给Zig Bee 厂家，让其按照上述优化思路进行优化，在保证节约电池能量的同时，降低Zig Bee 传输的失效性和时延性。