基于ZigBee技术的油田示功参数监控系统

2009-12-03 20:05:04来源: 电子技术 关键字:无线传感网络  ZigBee  低能耗  油田监控

0 引言

    随着全球经济的稳步发展,石油的在人们生产、生活中的应用越来越广,石油的需求量也与日俱增。人们对石油的生产更加关切。目前,油田现场采集、监控一般采用传感器进行数据的采集,然后将信号通过电缆传送到控制中心加以处理。油田现场所处环境偏远恶劣、地势复杂,油井分布广、数量多,铺设固定通信线路成本高、线路长、设备造价高、投资大等特点,制约了油田的生产监控。本文提出将ZigBee技术应用在油田监控中。

1 ZigBee技术简介

    近年来,随着微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、传感、嵌入式计算、网络和通信等方面的飞速发展,无线传感网络(WSN)以其成本低、组网灵活、受地理环境限制少等优点,在许多领域都展示了广阔的应用前景。ZigBee技术利用全球共用的公共频率2.4GHz,具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势,目前被视为替代有线监控网络最有前景的技术之一。与传统无线技术相比(见表1),ZigBee的特点主要表现以下几个方面:

    (1)低功耗。待机模式,2节AAA干电池可支持1个节点工作0.5~1年。

    (2)低成本。协议大幅简化,免执照频段,免协议专利费。

    (3)低速率。250kb/s(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始数据吞吐率。

    (4)近距离。传输范围为10~75m,提高RF发射功率,可增加到1~3km。

    (5)网络容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet,可组成65000个节点大网。

    (6)短时延。ZigBeen响应速度快,睡眠转入工作状态需15ms,节点连接入网需30ms。

    (7)安全性能高。提供三级安全模式:无安全设定、接入控制清单(ACL)、防止非法获取数据及采用AES-128对称密码。

2 系统总体方案

    加速度传感器、载荷传感器定时收集各井口的示功参数,在ARM处理器控制下,通过ZigBee无线模快,在IEEE802.15.4技术标准的支持下,由ZigBee网络发送到ZigBee路由器和ZigBee协调器,经卫星或GPRS网络将数据发送至控制中心,及时掌握采油现场的工作参数,实现数据的汇总、整理与分析,并及时对终端下达控制命令,调整生产。

    该系统分数据采集终端、Zi gBee无线路由器、ZigBee/WN协调器、控制中心四个部分。油田监测系统架构如图1示。 图一油田监控系统架构

    系统由三级WN组成,结构简单、性能稳定、易于实现。低功耗为该系统突出表现。ZigBee无线网络采用的是2.4GHz频段。该频段为全球统一无需申请的ISM频段。该频段(2.4~2.483GHz)被划为16个信道,数据传输速率250kb/s,码元速率为62.5kbaud,采用16进制正交调制,用码片长度为8的伪随机码直接扩频。GPRS传输速度为56~115Kb/s。与GPRS网络结合使用,可以满足ZigBee网络传输数据的需求,可以减少系统建设初期的投资费用,减轻网络运行维护工作量,使油井示功参数及时、准确地传送至监控中心。系统通过ZigBee和GPRS两种无线网络的连接,实现实时监控,对油田出现的问题及时发现和处理。

3 无线传感器网络建立

    本文充分对比了StarNet、MeshNet和CluterTreeNet各自的优缺点,选用树型无线自组网络(Ad HocNet),采用CSMA-CA方式进行信道存取,各ZigBee传输模块通过多次跳频技术数据传输方式,具有较好的信息隐蔽性、抗多频干扰性和自愈性,并增大网络的覆盖范围。实现对油井示功参数的采集、传输及监控。

    树型无线传感器网络中,自终端设备和网络协调器建立后,终端设备被分配一16位短地址,此后终端就用这地址在无限个域网中通信。主协调器首先启动建立ZigBee个域网,选择ZigBee个域网标识符,自身短地址设为0,然后向其邻近设备发送信标,接受其他网络链接,成为第一级网络。与主协调器建立了连接的设备都分配一16位的网络地址。路由器根据其收到的协调器的信标的信息,配置并发送其自己的信标,允许其他设备与其建立连接,形成从设备--数据采集终端的第二级网络。GPRS网络将数据发送至监控中心,形成三级网络的信息数据链路。

4 硬件设计

4.1 硬件组成及功能

    系统硬件由数据采集传感器、控制器、无线RF收发、存储、电源、GPRS接收、监控中心七个模块组成。传感器模块由载荷传感器、加速度传感器ADX105构成,功能是用来收集油井现场的示功信息;控制器模块为嵌入式系统ARM处理器,功能是进行数据的处理、功耗管理、同步定位、任务管理等操作;无线RF收发模块是由Phipcon公司开发的CC2420RF芯片,功能是与其他RF模块通信,传输油田现场的示功参数和控制信息;存储模块采用Samsung公司生产的NAND型FLASH存储器K9F2808UOC,容量为8~128MB,负责数据存储;电源模块分为两类:一类是高容量锂电池;另一类是变直之后的交流电源(硬件电路如图2所示)。GPRS收发模块A-232/485GPRSDTU负责GPRS通信链路的信息传递,将示功参数送至监控中心;监控中心模块负责数据收集、整理与分析,并反馈控制命令。

4.2 硬件各模块及功能

    ZigBee技术支持两种类型的物理设备:全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。油井现场参数采集终端是网络中通信要求最低的部分,结构和功能简单,用电池供电,大多处于睡眠状态,以最大程度地节约电能,数据采集终端的通信模块采用RFD;ZigBee路由器具备数据的存储和收发能力、路由发现能力,从设备的连接、路由表的维护、数据的转发,到维护网络的链路等功能,采用FFD;ZigBee协调器始终处于工作状态,是网络的核心,除完成路由器的功能外,还有制定网络规则,选择合适信道,建立网络并下发地址的功能,采用FFD。

    采集终端(电路框图如图3所示),CC2420通过SPI总线连接到ARM芯片的P1.0~P1.7接口。高容量电池作为终端模块的电源,通过LD0低压差线性稳压器AM11 17-3.3为传感器模块、RF模块、MCU/ARM7提供3.3V左右电压。ARM芯片需3.0~3.6V(3.3V±10%),CC2420需2.0~3.6V。电源功率指示灯显示电源电压。声光报警单元对异常情况报警。晶振电路使ARM7与RF模块同步通信。ZigBee路由器模块框图如图4所示。

    ZigBee协调器硬件电路在MCU右端接A-232/485GPRS/DTU,电源要求4.5~35V。供电电源采用电源线供电(将220V交流电经过整流、稳压、滤波电路转换成5V直流。ZigBee协调器模块框图如图5所示。

    采集终端、路由器和协调器都有FLASH存储器,系统在意外情况下,可海量存储采集到的数据,防止数据丢失。终端和路由器采用锂电池供电,协调器部分采用电源线供电,增强了电源模块的稳定性。

5 软件设计

    软件部分由监控中心、ZigBee协调器通信、ZigBee路由通信、数据采集终端ZigBeeRF模块中的收发模块通信、系统初始化程序(如图6所示)和信息采集终端等程序模块组成。

    监控中心程序负责对整个网络的管理与控制,包括无线传感器节点的MCU、RF收发、数据采集、状态检测、数据处理、以及对连接到节点的设备的控制(主程序如图7所示);ZigBee无线通信模块程序负责数据无线收发,包括RF和基带两部分,前者提供数据通信的空中接口,后者提供链路的物理信道和数据分组;ZigBee路由器及协调器通信程序负责链路管理与控制,执行基带通信协议和相关处理过程,包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制、功率模式和安全算法等。采集终端程序及协调器程序分别如图8、9所示。

    软件设计分数据采集、数据信息传递和监控中心三个层次,其运行于数据采集和信息传递之间的程序采用C++Builder6.0或汇编语言实现控制程序语言编写,经过ARM编译系统生成执行程序。监控中心软件由Vi sualBasic6.0开发,数据采用SQLServer数据库存储。IEEE802.15.4/ZigBee开发系统采用无线谷C51RF-3-ZMD2。软件采用结构化设计,便于完善和维护,同时做到界面美观,操作简便。

6 系统低功耗设计

    在ZigBee的网络节点中,只有考虑到MCU的功耗问题,才能真正做到节能降耗,ZigBee低功耗特点才能凸显出来。CC2420在睡眠模式,发射功率只有10mW。发射模式下电流消耗为17mA,接收模式下为15mA,睡眠模式下为0.7 μ A。其设备可大多时间进入睡眠状态,周期性醒来。睡眠模式下,收发电路关闭,极大限度减少功耗,醒来时通过检查信道,与协调器同步,发送或接收数据。ARM芯片支持两种节电模式:空闲模式和掉电模式。掉电模式,振荡器关闭,处理器状态和寄存器、外设存器及内部SRAM值被保持。复位或特定的不需要时钟仍能工作的中断,可终止掉电模式并使芯片恢复正常运行。

    本文通过软件控制,ARM芯片与CC2420间歇性地工作在接收状态。不接收数据时,芯片CC2420处于睡眠模式,ARM芯片处于掉电模式(功耗几乎为零),可大大减少系统的功耗。MCU通过外部中断(CC2420的32kHz晶振的休眠模式定时器产生的外部中断EINT3,15引脚)退出掉电模式,继续工作。从而延长电池寿命,达到节能目的。

7 结束语

    ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本、高可靠性的双向微功率网格式无线接入技术。集成了计算机技术、传感器技术、无线宽带通信技术、数字控制技术等诸多学科的技术。ZigBee技术与ARM技术结合使用,实现了油田信号传输的无线化,频谱利用高效化,生产信息化。在当今频谱资源日益紧张,组网成本居高不下的情况下,深入研究ZigBee WSN具有深远的意义。

关键字:无线传感网络  ZigBee  低能耗  油田监控

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2009/1203/article_2421.html
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