呼倫貝爾學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

井場參數(shù)無線自動采集系統(tǒng)

麗娜呼倫貝爾學(xué)院物理與電子信息學(xué)院

在了解RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于RFID的井場參數(shù)無線自動采集系統(tǒng)模型，同時設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件電路、傳感器接口電路，實(shí)現(xiàn)與控制器之間的連接，監(jiān)測井場數(shù)據(jù)信息，最后利用C#編程系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)井場參數(shù)采集系統(tǒng)的可視化管理。在搭建軟、硬件實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)行井場參數(shù)無線自動采集系統(tǒng)的調(diào)試和綜合測試。通過調(diào)試和測試可知，此系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了所要求的設(shè)計(jì)功能以及數(shù)據(jù)的采集和傳輸，并將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上。

RFID；無線傳感器；通信協(xié)議；井場

目前井場數(shù)據(jù)傳輸存在的問題包括數(shù)據(jù)傳輸速率低、有線數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用高和缺乏終端數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，成本低、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸速度快，可達(dá)到有限網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。目前，短距離無線通信技術(shù)比較發(fā)達(dá)，例如藍(lán)牙、Zigbee和UWB技術(shù)，特別是RFID技術(shù)的發(fā)展，有效地解決了有線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)谋锥?，為無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集提供便利。利用基于無線射頻技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井場數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與傳輸，可解決有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，為井場數(shù)據(jù)管理提供了便利。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

射頻識別技術(shù)（RFID）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新興自動識別技術(shù)，是一項(xiàng)利用射頻信號，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)[1]。RFID技術(shù)可快速掃描，體積小型化、形狀多樣化、抗污染能力強(qiáng)、可重復(fù)使用，數(shù)據(jù)的記憶容量大。RFID是一項(xiàng)易于操控，簡單實(shí)用且特別適合用于自動化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)。射頻識別系統(tǒng)與其他識別系統(tǒng)相比，讀取方便快捷，識別速度快，數(shù)據(jù)容量大，使用壽命長且應(yīng)用范圍廣，擁有更好的安全性和動態(tài)實(shí)時通信的優(yōu)勢。

在大范圍應(yīng)用有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，以組網(wǎng)靈活和搭建方便著稱的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]數(shù)據(jù)傳輸方向性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可靠且應(yīng)用多樣化?；赗FID技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)一定范圍的數(shù)據(jù)采集和傳輸，擁有高移動性、擴(kuò)展能力強(qiáng)、組網(wǎng)速度快、成本低，受自然環(huán)境和地形影響小的優(yōu)點(diǎn)。

基于RFID技術(shù)的井場參數(shù)無線自動采集系統(tǒng)選用星型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可變，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，需要優(yōu)選擁有容錯能力和維護(hù)路徑功能的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，進(jìn)行MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)。MAC層協(xié)議[3]的選擇直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)，在設(shè)計(jì)MAC層協(xié)議時需要解決隱藏暴露終端、公平接入、QOS保障和功率控制的問題，進(jìn)行避免沖突、差錯控制算法和通道接入方式的設(shè)計(jì)。在了解層次式分簇路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，優(yōu)選LEACH協(xié)議，但是LEACH協(xié)議存在能量消耗均衡化的弊端，在考慮能量消耗和傳輸效率基礎(chǔ)上，改進(jìn)LEACH協(xié)議以滿足設(shè)計(jì)的要求。

在了解RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于RFID的井場參數(shù)無線自動采集系統(tǒng)模型，同時設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件電路、傳感器接口電路，實(shí)現(xiàn)與控制器之間的連接，監(jiān)測井場數(shù)據(jù)信息，最后利用C#編程系統(tǒng)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)井場參數(shù)采集系統(tǒng)的可視化管理。在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中優(yōu)選STC12LE5616AD微處理器，具有A/D轉(zhuǎn)換和低功耗的功能。無線射頻芯片是硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，影響系統(tǒng)的開發(fā)成本和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度等指標(biāo)，要具有兼容性強(qiáng)、低功耗和接口簡單的優(yōu)點(diǎn)。

nRF905無線射頻收發(fā)一體芯片符合設(shè)計(jì)要求，所以選用nRF905實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。nRF905接口模式主要有狀態(tài)輸出接口、SPI接口和模式控制接口三種。系統(tǒng)軟件的主要功能是在人機(jī)界面上實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理，利用C#語言編寫軟件，在界面上呈現(xiàn)所采集的井場參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2 系統(tǒng)綜合測試與現(xiàn)場應(yīng)用

在搭建軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)行井場參數(shù)無線自動采集系統(tǒng)的調(diào)試和綜合測試。通過調(diào)試和測試可知，此系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了所要求的設(shè)計(jì)功能，以及數(shù)據(jù)的采集和傳輸，并將結(jié)果顯示在人機(jī)界面上。該系統(tǒng)在長慶油田某井場進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，減輕了現(xiàn)場工作人員的工作量，提高了工作效率，實(shí)現(xiàn)了井場與控制中心的有效連接，加快了油田數(shù)字化建設(shè)的步伐。

3 結(jié)語

在了解無線傳感網(wǎng)絡(luò)原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)造無線采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型。為了減少數(shù)據(jù)沖突，采用退避算法和握手機(jī)制相結(jié)合的退避方式；優(yōu)選層次式分簇路由協(xié)議中的LEACH協(xié)議，滿足井場參數(shù)無線自動采集設(shè)計(jì)的要求。在硬件設(shè)計(jì)部分采用STC12LE5616AD單片機(jī)與nRF905為核心部件，利用C#編制相對應(yīng)的監(jiān)控軟件，完成系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測試和數(shù)據(jù)處理功能。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)井場參數(shù)的實(shí)時采集和傳輸，利用界面功能分類顯示所采集的數(shù)據(jù)。經(jīng)過系統(tǒng)綜合測試和油田井場應(yīng)用可知，測試效果良好，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時采集與傳輸，滿足設(shè)計(jì)初衷，可在油田大范圍推廣。

[1]楊寧，田耀，張平，等．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J]．無線電工程，2006，36（2）：11-14.

[2]于海斌，曾鵬．智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M]．北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]斯托林斯．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.047