林 芳，劉 洋，張 宇，王傳英，王鳳嬪，陳 鑫

（1.大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163712；2.大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司，黑龍江大慶1637000；3.中科院微電子研究所，江蘇無錫214000）

基于ZigBee技術(shù)的抽油機(jī)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林 芳1，劉 洋2，張 宇3，王傳英1，王鳳嬪1，陳 鑫1

（1.大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163712；2.大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司，黑龍江大慶1637000；3.中科院微電子研究所，江蘇無錫214000）

利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)一種抽油機(jī)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建短距離ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)油井參量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。選用DS18B20、DTH11測量溫濕度；ATT7022測量螺桿泵電機(jī)的電參數(shù)傳送至單片機(jī)處理后，通過CC2430RF收發(fā)模塊傳送至數(shù)據(jù)傳輸終端。該系統(tǒng)主要針對抽油機(jī)所處井場環(huán)境惡劣，不易獲取油井參數(shù)，抽油機(jī)各系統(tǒng)運(yùn)行工況掌握較困難等實(shí)際情況，具有一定的價值和實(shí)用意義。

數(shù)據(jù)采集；ZigBee技術(shù)；ATT7022；DS18B20

為了能夠及時的了解油井的運(yùn)行情況，合理分析抽油機(jī)系統(tǒng)各方面的數(shù)據(jù)，選擇合適的抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集方式顯得尤為重要。當(dāng)前，依靠采油工人工采集油井?dāng)?shù)據(jù)，手工記錄之后，輸入計(jì)算機(jī)再進(jìn)一步分析仍然是各大油田選用的主要數(shù)據(jù)采集方式。這種方式耗費(fèi)了大量的人力資源，增加了工人的勞動強(qiáng)度，并且因?yàn)椴杉靠谟途畢?shù)工作周期長，從而數(shù)據(jù)不能得到及時更新［1］；如若考慮布線傳輸數(shù)據(jù)，由于抽油機(jī)分布分散且地區(qū)偏遠(yuǎn)，再加上井場的環(huán)境惡劣，這種方式將耗費(fèi)大量的物力資源。隨著傳感網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益進(jìn)步，為了實(shí)現(xiàn)自動化管理，基于各方面因素的考慮，抽油機(jī)無線數(shù)據(jù)采集油井參數(shù)的方式得到廣泛應(yīng)用，短距離遠(yuǎn)程監(jiān)控從實(shí)際問題角度考慮節(jié)約了大量的人力和物力。

1 系統(tǒng)原理概述

本文主要基于ZigBee技術(shù)通過研究設(shè)計(jì)一種抽油機(jī)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。針對抽油機(jī)所處井場環(huán)境惡劣，不易獲取油井參數(shù)，抽油機(jī)各系統(tǒng)運(yùn)行工況掌握較困難等實(shí)際情況，使用近距離遠(yuǎn)程監(jiān)控方式。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線射頻技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)采集［2］，用于油井參量數(shù)據(jù)采集的實(shí)際運(yùn)行過程，降低了采油工人的工作強(qiáng)度，同時通過隨時了解油井有桿抽油系統(tǒng)各方面參數(shù)，就可以知道油井的工作情況。及時更新油井參量，保證油井的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及安全運(yùn)營。本文系統(tǒng)框圖如圖1所示，針對當(dāng)前油田的實(shí)際情況設(shè)計(jì)參數(shù)采集模塊，設(shè)計(jì)成ZigBee樹狀節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸模塊，并對數(shù)據(jù)傳輸終端進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)處系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器

美國DALLAS公司推出的單總線溫度傳感器DS18B20輸出的是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，長度一般為9到12位，并且具備不因掉電而改變的報警功能，此功能可由電平觸發(fā)，DS18B20僅僅需要1條數(shù)據(jù)線即可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。它的溫度測量范圍在-55～+125℃，如果其工作于-10～+85℃的溫度范圍內(nèi)，測溫精度能達(dá)到0.5℃以內(nèi)。此外，DS18B20能從一根傳輸線路上獲取能量，無需增加供電電源。

任何一個DS18B20都具備一個獨(dú)特的64位序列號，于是多個DS18B20可以同時連接在一根單總線上，達(dá)到一個MCU控制多個傳感器的目的，這一特性在很多場合都非常適用。例如溫室大棚、空曠地區(qū)分布檢測、糧倉防火、倉庫安全等。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 節(jié)點(diǎn)處系統(tǒng)框圖

2.2 DTH11濕度傳感器

DTH11是一款多功能傳感器，采集技術(shù)使用了先進(jìn)的數(shù)字模塊，先進(jìn)的濕度傳感技術(shù)保證了產(chǎn)品具有極高的穩(wěn)定性能和卓越的品質(zhì)，該傳感器包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，因此該產(chǎn)品具有質(zhì)地優(yōu)良、反應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。尤其是它的串行接口，采用了單線的方式，有利于系統(tǒng)集成。它的做工體積很小，運(yùn)行起來功耗很低，其信號傳輸距離可達(dá)幾十米。

2.3 電參數(shù)采集電路

電參數(shù)采樣計(jì)量采用珠海力矩三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022B，其內(nèi)部原理圖如圖3所示。ATT7022是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它內(nèi)部集成了六路二階的sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)參考電壓電路、各種功率檢測、消耗能量、交流電有效值、系統(tǒng)功率因數(shù)以及頻率測量等數(shù)字信號處理電路。它不僅能夠測量各單相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓的有效值，系統(tǒng)功率因數(shù)、相位角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相電力系統(tǒng)電氣參數(shù)檢測的需求。另外還支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表；有功、無功電能脈沖輸出，提供瞬時有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正?？梢詫ㄓ泄?、無功功率進(jìn)行測量，提供兩類視在能量輸出，RMS視在能量以及PQS視在能量，提供一個標(biāo)準(zhǔn)SPI接口，方便與外部微處理器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。

2.4 CC2430收發(fā)模塊

CC2430為SOC芯片的設(shè)計(jì)架構(gòu)。是ZigBee應(yīng)用嵌入式片上系統(tǒng)的無線單片機(jī)系列芯片。CC2430在單芯片內(nèi)部集成了ZigBee射頻（RF）收發(fā)器，還包括加強(qiáng)型8051MCU及RAM、ADC、看門狗等。配置電源濾波電路、芯片晶振電路等少量外圍電路即實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能，相對來說操作簡單。CC2430芯片具有高阻抗差分式射頻輸入輸出，射頻端口最佳差分負(fù)載阻抗為115+180jΩ。CC2430收發(fā)電路天線使用非平衡變壓器，整個天線電路滿足R／F輸入／輸出匹配電阻（50Ω）的要求。它需要很少的外圍元器件數(shù)目就能夠完成基本的通信任務(wù)，易于操作，具有功耗低、靈敏度高、抗噪聲能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)。它具有低功耗、低成本、低傳輸速率等優(yōu)點(diǎn)，ZigBee技術(shù)工作頻段包括2.4GHz，對全球均可免費(fèi)使用，數(shù)據(jù)傳輸延時短，可靠度高。它的有效覆蓋距離可達(dá)75m，具有全面的安全機(jī)制，相比藍(lán)牙、紅外等無線傳輸技術(shù)更適合在本系統(tǒng)中使用。低層的物理層和介質(zhì)訪問控制層由IEEE控制，ZigBee技術(shù)聯(lián)盟指定網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。安全協(xié)議用于連接協(xié)調(diào)器，多個協(xié)調(diào)器可形成網(wǎng)絡(luò)，還可根據(jù)安全規(guī)范擴(kuò)充安全層，從而保證節(jié)點(diǎn)信息不被泄露。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖

圖6 數(shù)據(jù)傳輸終端處理流程

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：溫度采集，濕度采集，電參量采集，ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)，RTU收集數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)五大部分。系統(tǒng)初始化主要是檢測控制系統(tǒng)處理器、DS18B20，DTH11、ATT7022B的初始化。其中，ATT7022B初始化實(shí)際上是系統(tǒng)校準(zhǔn)，過程包括相位補(bǔ)償設(shè)置、功率增益設(shè)定、電源相位校正、額定啟動電流設(shè)置等。溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖如圖5所示。參數(shù)采集模塊與數(shù)據(jù)傳輸終端的通信內(nèi)容為報告當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)，還有接收到的確認(rèn)信息。RTU的設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)目前油田抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集的實(shí)際情況，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對溫濕度、電參量等數(shù)據(jù)的采集；同時利用CC2430與C8051F121主控芯片的結(jié)合，完成ZigBee短距離無線網(wǎng)絡(luò)的搭建工作。當(dāng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)及RTU終端連接建立成功后，及時上傳數(shù)據(jù)。減小了冗余工作，也提高了抽油機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)的及時更新程度，具有非常實(shí)用的使用價值和意義。

［1］張福軍，王克奇.基于C805lF350抽油機(jī)采集系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，19（6）：143-145.

［2］陳憲侃，葉利平，谷玉洪.抽油機(jī)采油技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004：3-5.

［3］王鋼.基于ZigBee技術(shù)的油井參量釆集系統(tǒng)的開發(fā)［D］.天津：天津科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

林芳（1983-），女，黑龍江大慶人，大慶師范學(xué)院物理與電氣信息工程學(xué)院講師，從事信號處理理論及應(yīng)用研究。

大慶師范學(xué)院自然科學(xué)基金（11ZR08）。

TP751

A

2095-0063（2013）06-0041-03

2013-09-07