王漢如，李訓(xùn)銘

（河海大學(xué) 江蘇 南京 210036）

隨著“數(shù)字油田”建設(shè)的不斷推進(jìn)，油田自動(dòng)化建設(shè)得到了很大發(fā)展，大量自動(dòng)化設(shè)備在油田生產(chǎn)信息監(jiān)控中的應(yīng)用、各種生產(chǎn)信息系統(tǒng)的建立極大地方便了技術(shù)人員的日常工作、提高了安全生產(chǎn)的效率，也使人們意識(shí)到數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、信息處理將是建設(shè)“數(shù)字油田”乃至“智能油田”的必然趨勢(shì)。

根據(jù)油田生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)信息系統(tǒng)的需求，結(jié)合ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)具有自組網(wǎng)、低功耗、魯棒性等特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，提取信息并傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和傳輸[1]。

1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架

綜合節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的各種需求，選擇NXP JN5139-Z01-Mxx系列模塊作為節(jié)點(diǎn)的主控芯片，它具有：提供ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)、最大傳輸距離高達(dá)4 km[2]（非2.4 GHz頻段）、硬件支持?jǐn)?shù)據(jù)CRC16校驗(yàn)和AES128位加密模塊、休眠機(jī)制等特點(diǎn)。

NXP JN5139-Z01-Mxx主要集成了JN5139無線微控制器、128 kB flash ST M25P10、天線及低噪聲運(yùn)算放大器（模塊M02/M04帶有）。JN5139是一款適用于 IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用環(huán)境的低功耗、低成本微控制器，它集成了32位RISC處理器 （32MIPS）、2.4 GHz IEEE802.15.4無線收發(fā)器、192 kB ROM、96 kB RAM以及豐富的模擬數(shù)字外圍接口[3]。JN5139芯片的組成框圖如圖1所示。

圖1 NXP JN5139芯片組成框圖Fig.1 Chip composition block diagram of NXP JN5139

軟件資源方面，模塊的片上系統(tǒng)（SOC）提供了非常豐富的API，涵蓋了外圍設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)處理，尤其是網(wǎng)絡(luò)方面，以ZigBee開發(fā)為例，上百個(gè)API函數(shù)的存在，使得ZigBee協(xié)議棧服務(wù)對(duì)用戶透明；同時(shí)為了能使用戶開發(fā)的應(yīng)用程序與此協(xié)議棧服務(wù)分享32位RISC處理器的控制，模塊內(nèi)置了小型的片上系統(tǒng) BOS（Basic Operating System）[4]。 實(shí)際上，BOS 就是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)調(diào)度器，它控制著用戶和ZigBee協(xié)議棧任務(wù)（包括網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用子層等，作為一個(gè)整體的任務(wù)）的執(zhí)行，負(fù)責(zé)應(yīng)用程序與來自硬件外圍設(shè)備、MAC子層等消息的傳遞交互，這樣用戶就可以把精力集中應(yīng)用的功能實(shí)現(xiàn)上，而不必過多因?yàn)榈讓拥腪igBee網(wǎng)絡(luò)和硬件資源問題分心[5]。

需要注意的是：由于透明機(jī)制的存在，許多上述資源，如96 kB RAM、四扇區(qū)的128 kB flash并不是完全對(duì)用戶開放的；另外，盡管BOS掌管著多個(gè)任務(wù)的交互，但它同一時(shí)間只能處理一個(gè)任務(wù)，即是單任務(wù)系統(tǒng)。

2 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框架

根據(jù)節(jié)點(diǎn)分類和JN5139-Z01-Mxx模塊資源情況，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的硬件框架如圖2所示。

圖2 硬件模塊圖Fig.2 Structure diagram of the hardware module

圖中，傳感器模塊包括傳感器和信號(hào)調(diào)制電路，示功儀傳感器為加速度ADXL202和載荷CL-YB-10M/15t，溫壓儀包括溫度PT100和壓力Honeywell C13L型傳感器，雙壓儀的壓力傳感器同樣選擇Honeywell C13系列，而中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)不帶有此模塊，其通過電量?jī)x設(shè)備讀取電機(jī)的電參量。主控芯片模塊JN5139-Z01-Mxx分為M02/M04和M01/M03四種，前兩者相較于用于示功儀和溫壓儀的后兩者增加了運(yùn)放，可通信范圍更廣，功耗更高，用于雙壓儀和中轉(zhuǎn)。SPI設(shè)備模塊包括一些以SPI方式與JN5139-Z01-Mxx連接的芯片，如用來保存采集數(shù)據(jù)的flash AT45DB161D和溫壓儀的液晶顯示屏LCM141C（集成于模塊內(nèi)部的flash ST M25P10與CPU也是通過SPI接口連接）。時(shí)鐘模塊選用DS1302芯片，根據(jù)其時(shí)間值，程序發(fā)起采集和記錄數(shù)據(jù)。電源模塊也視節(jié)點(diǎn)而不同——終端節(jié)點(diǎn)包括4 000 mAh鋰電池、太陽能板及其充電電路，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)則由220 V有線源轉(zhuǎn)壓后供電。其他模塊則包括串口調(diào)試、看門狗、LED等[6]。各模塊情況整理如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成Tab.1 Structure of node modules

3 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)框架

分別考慮終端（即示功儀）和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)程序的主要任務(wù)分為“采集數(shù)據(jù)”和“網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)”，前者是按照時(shí)鐘時(shí)間由程序發(fā)起的，后者包括“無線數(shù)據(jù)協(xié)議命令響應(yīng)”和“ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧事件處理”（包括入網(wǎng)、掉網(wǎng)等），類似于中斷處理[7]?？紤]SOC的單任務(wù)特性，可以將節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)成“任務(wù)檢查制”——每次從休眠中醒來，初始化后，判斷是否要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，或根據(jù)時(shí)鐘時(shí)間判斷是否有采集任務(wù)，若空閑則進(jìn)入休眠，休眠一定時(shí)間間隔后再次被喚醒，如此反復(fù)。

圖3 節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)Fig.3 The operation state of node

為了能采用使節(jié)點(diǎn)功耗更低的無內(nèi)存駐留的休眠方式，因此將一些重要的參量保存在flash中，并在初始化中重新加載。終端節(jié)點(diǎn)的軟件框架流程圖如下圖4，虛線框內(nèi)表示的是采集流程，在此范圍內(nèi)都可能對(duì)“無線數(shù)據(jù)協(xié)議命令”和“協(xié)議棧事件”做出響應(yīng)。

圖4 終端（示功儀）節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.4 Flow chart the software design of terminal node

中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需處理觸發(fā)的協(xié)議棧事件、接收和處理“網(wǎng)絡(luò)消息”。“網(wǎng)絡(luò)消息”分為來自串口透明傳輸設(shè)備的一級(jí)網(wǎng)絡(luò)的命令和來自二級(jí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的消息。中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)沒有休眠，是不間斷工作的，其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.5 Flow chart the software design of transit node

4 實(shí)踐測(cè)試

由于節(jié)點(diǎn)的通信距離受節(jié)點(diǎn)之間遮擋物的影響比較大，因此本次測(cè)試選擇車流量少、無遮擋的公路和由少量樹木、建筑物遮擋的小區(qū)兩個(gè)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。在每個(gè)環(huán)境下分別對(duì)主站和中轉(zhuǎn)，中轉(zhuǎn)和示功儀兩條通信線路進(jìn)行通信距離和丟包率的測(cè)試。測(cè)試方法如下：

將兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送 0001，0002，0003，...，5000，接收節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行判斷，若接收到數(shù)據(jù)比上次接收到數(shù)據(jù)增一，則認(rèn)為此次接收數(shù)據(jù)有效，計(jì)數(shù)器增一。最后查看接收計(jì)數(shù)器，即可判斷此次試驗(yàn)通信節(jié)點(diǎn)的丟包率。每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行三次通信測(cè)試，取平均數(shù)后得到數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 示功儀通信性能測(cè)試情況Tab.2 Oil indicator instrument communication test

通過上述試驗(yàn)可以看出，在沒有遮擋的環(huán)境下通信時(shí)，通信質(zhì)量和通信距離都比較好，丟包率能控制在1%以內(nèi)，可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。當(dāng)有遮擋物遮擋時(shí)，則通信質(zhì)量隨著通信距離迅速下降，功耗也會(huì)隨著上升。因此，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)通信節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量考慮避開遮擋物，以提高通信質(zhì)量，減少電源功耗。

5 結(jié)束語

通過以上對(duì)油田無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件研究與設(shè)計(jì)，以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)要求，成功實(shí)現(xiàn)功圖采集等功能，為油田生產(chǎn)信息系統(tǒng)的核心服務(wù) “功圖量油”、“示功圖診斷”提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)于提高數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃跃哂袑?shí)際的工程意義。

[1]李海峰，李訓(xùn)銘，顏志軍.ZigBee技術(shù)在油井功圖和電流圖同步上的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（1）:37-38，40.LI Hai-feng，LI Xun-ming，YAN Zhi-jun. ZigBee on synchronization between oil well’s indicator diagram and electroretinogram[J].Industrial Control Computer，2011 （1）:37-38，40.

[2]李建中，高宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與進(jìn)展，2008，45（1）:1-3.LI Jian-zhong，GAO Hong.The research progress of wireless sensor network[J].Computer Study and Progress Computer，2008，45（1）:1-3.

[3]博訊科技.Jennic軟件開發(fā)人員指南 （JN51XX）[Z].北京:博訊科技，2008:4-5.

[4]NXP.JN-RM-201-BOS-Operating-System-3v1 [Z].NXP，2008.

[5]NXP.JN-UG-3017-ZigBeeStackUserGuide-1v6 [Z].NXP，2008.

[6]馬苗苗.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在油田中的應(yīng)用研究 [D].黑龍江：東北石油大學(xué)，2010.

[7]崔光照，陳富強(qiáng)，張海霞，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．通信技術(shù)，2008，41（1）:11-12.CUI Guang-zhao，CHEN Fu-qiang，ZHANG Hai-xia，et al.Design of oil well remote monitoring system based on wireless sensor network[J].Communication Technology，2008，41（1）:11-12.