謝真良，楊光友，李 達(dá)

（1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430068）

傳統(tǒng)的鉆井環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本高，維護(hù)費(fèi)用大，并且數(shù)據(jù)采集量相對(duì)較小。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)［1］，可以實(shí)時(shí)感知、采集和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署區(qū)內(nèi)目標(biāo)的各類(lèi)信息（如壓力、流量、溫度和有害氣體濃度等物理參數(shù)），并將處理后的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給觀察者，有效解決了有線(xiàn)傳輸帶來(lái)的弊端。在石油鉆井過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井控參數(shù)并做好異常參數(shù)的監(jiān)測(cè)、預(yù)警工作，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等意外情況，進(jìn)而防止井噴發(fā)生［2］。為此構(gòu)建一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)分布式結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)并獲取環(huán)境參數(shù)。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)采集大量傳感信息，監(jiān)測(cè)人員如果直接查詢(xún)和處理這些數(shù)據(jù)非常不便［3］。本文設(shè)計(jì)了一種面向油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WEB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以將鉆井關(guān)鍵部位的信息實(shí)時(shí)地采集傳輸至各級(jí)監(jiān)控中心，并能依據(jù)實(shí)際要求調(diào)節(jié)相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)和管理。

1 油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)WEB監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了管理傳感器節(jié)點(diǎn)采集的各種環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于觀察和查詢(xún)的可視化信息，有必要建立合適的油田鉆井 WSN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［4－6］。同時(shí)，所開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)滿(mǎn)足以下功能。

1）匯聚整理WSN網(wǎng)絡(luò)采集的初始數(shù)據(jù)?？梢詫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集到的各種感知數(shù)據(jù)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)與RS-232連接的形式傳送到現(xiàn)場(chǎng)基站，并對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。

2）存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)功能。可以將感知的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器上分類(lèi)存放，并能夠?qū)崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。

3）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的訪(fǎng)問(wèn)和控制。用戶(hù)可以通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)WSN實(shí)時(shí)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4）友好的人機(jī)交互界面以及良好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。通過(guò)人機(jī)交互界面，監(jiān)測(cè)程序可實(shí)現(xiàn)顯示傳感器節(jié)點(diǎn)的感知信息、位置信息及工作狀態(tài)等功能。在不同的應(yīng)用背景下，需要處理不同的感知數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)實(shí)際的需要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行模塊化擴(kuò)展，而且需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析，得出系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)可分為傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)PC、數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶(hù)端等四層結(jié)構(gòu)，最底層為部署在各井場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息；而上層是與Internet相連的一臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的基站，它將傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Internet傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行集中存儲(chǔ)處理；用戶(hù)可以通過(guò)任何一臺(tái)連到Internet上的計(jì)算機(jī)終端訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)服務(wù)器，并可以向現(xiàn)場(chǎng)PC發(fā)送操作指令。

圖1

1.2 硬件平臺(tái)與軟件環(huán)境

系統(tǒng)中的信號(hào)采集無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，以及與PC機(jī)相連的傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的核心芯片均采用TI公司的CC2530芯片。該芯片集成度高，體積小功耗低，抗干擾性強(qiáng)，靈敏度高。

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)主要基于MFC開(kāi)發(fā)框架、ASP.NET AJAX技術(shù)和 SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)客戶(hù)端是采用QT/E開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的圖形繪制和接收轉(zhuǎn)發(fā)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的系統(tǒng)架構(gòu)采用典型的三層結(jié)構(gòu)，即表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層［7］。使用 WEB控件、HTML標(biāo)記和CSS等元素組成WEB客戶(hù)端界面，以頁(yè)面形式展現(xiàn)其系統(tǒng)功能。使用ASP.NET 4.0實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)并組成服務(wù)器層，ASP.NET AJAX則用于實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，而數(shù)據(jù)交換的形式可以采用XML格式或者文本格式。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2 程序結(jié)構(gòu)層次圖

1.3 系統(tǒng)功能模塊

1.3.1 系統(tǒng)安全模塊 該模塊完成管理員用戶(hù)的身份驗(yàn)證，保證對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)操作安全合法。

1.3.2 數(shù)據(jù)管理模塊 在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)建立在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，具備存儲(chǔ)鉆井參數(shù)、提供數(shù)據(jù)報(bào)表的查詢(xún)和打印輸出功能?，F(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)組成的WSN網(wǎng)絡(luò)，由匯聚節(jié)點(diǎn)將獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)PC進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和處理，再經(jīng)過(guò)Internet將有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中采用單節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)模式，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用戶(hù)能詳細(xì)了解井場(chǎng)不同位置的環(huán)境參數(shù)，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)、詳細(xì)。本系統(tǒng)使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了三種數(shù)據(jù)表:1）節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息表用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)區(qū)域中的傳感信息；2）節(jié)點(diǎn)位置信息表用于存儲(chǔ)當(dāng)前WSN網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型、地理坐標(biāo)、工作狀態(tài)等信息；3）用戶(hù)信息表用于存放用戶(hù)名和密碼信息，用來(lái)檢驗(yàn)登錄時(shí)輸入的用戶(hù)名和密碼信息是否正確。各數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)視圖如表1－3所示。

表1 用戶(hù)信息表

表2 節(jié)點(diǎn)位置信息表

表3 節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息表

1.3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)模塊 本模塊屬于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層，主要提供系統(tǒng)邏輯運(yùn)算和業(yè)務(wù)支持等服務(wù)。該模塊一方面可以分析WEB客戶(hù)端的服務(wù)請(qǐng)求類(lèi)型，并根據(jù)服務(wù)請(qǐng)求類(lèi)型，使用ADO.NET技術(shù)動(dòng)態(tài)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取信息進(jìn)行處理，將處理后的結(jié)果以XML文件形式傳回給客戶(hù)端，響應(yīng)客戶(hù)端的服務(wù)請(qǐng)求。另一方面也通過(guò)創(chuàng)建線(xiàn)程，以主動(dòng)定時(shí)查詢(xún)方式將報(bào)警信息發(fā)送給客戶(hù)端，告知用戶(hù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，并依據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)作出相應(yīng)的處理。

1.3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊 該模塊主要采用 WEB服務(wù)器控件和CSS樣式表，向用戶(hù)提供更加美觀便捷的可視化操作界面。用戶(hù)可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)瀏覽器實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，方便多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)和管理。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 基于異步Ajax技術(shù)的異步 WEB數(shù)據(jù)交互通過(guò)這種方法可以減少對(duì)服務(wù)器多余的請(qǐng)求和響應(yīng)，有效降低服務(wù)器負(fù)擔(dān)，同時(shí)也降低了帶寬浪費(fèi)率，使用戶(hù)能夠獲得動(dòng)態(tài)、快速響應(yīng)、高交互性的體驗(yàn)［8］。

1.4.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建 在油田井場(chǎng)內(nèi)搭建無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳感器的選擇需要滿(mǎn)足大范圍、多節(jié)點(diǎn)、低成本、低功耗、具有自組織功能的特點(diǎn)。結(jié)合這些要求，最后確定選用ZigBee技術(shù)完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建［9］。

1.4.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交互 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端需要獲得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)才能進(jìn)行分析，進(jìn)而產(chǎn)生決策，遠(yuǎn)程操作指令通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳回給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備再執(zhí)行相應(yīng)操作指令。其中，為了保證良好的實(shí)時(shí)性，遠(yuǎn)程WEB監(jiān)測(cè)端與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信選用基于TCP/IP協(xié)議的套接字通信方式，兩層之間可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)進(jìn)行中轉(zhuǎn)連接。又由于現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)可以通過(guò)串口通信直接與現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備進(jìn)行交互，那么遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端便可直接向現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)發(fā)送操作指令，然后由其直接轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備，最后將操作過(guò)程存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)服務(wù)器［10］。通過(guò)這樣的實(shí)現(xiàn)方式，減少了整個(gè)通信過(guò)程中的時(shí)間延遲，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

測(cè)試環(huán)境區(qū)域長(zhǎng)約100m，寬約80m，為半封閉式，地形為平地。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)在鉆井現(xiàn)場(chǎng)中的分布情況如圖3所示。圖中，1號(hào)節(jié)點(diǎn)位于坐崗房頂部（節(jié)點(diǎn)離地面高度約為4m）；2和3號(hào)節(jié)點(diǎn)分別布置在2＃和3＃泥漿罐罐面上（這些節(jié)點(diǎn)離地面高度約為2.5m）；4號(hào)節(jié)點(diǎn)位于3＃泥漿罐的出口處（節(jié)點(diǎn)離地面高度約0.5m）；5號(hào)節(jié)點(diǎn)位于鉆井平臺(tái)上（節(jié)點(diǎn)離地面高度約為10m）；6號(hào)節(jié)點(diǎn)安放在泥漿出口的傾斜管線(xiàn)上（節(jié)點(diǎn)離地面高度約為7m）。

圖3 井場(chǎng)節(jié)點(diǎn)平面分布圖

節(jié)點(diǎn)1是匯聚節(jié)點(diǎn)，配備有GPS定位模塊，且通過(guò)RS-232與PC機(jī)連接；節(jié)點(diǎn)2，6為路由節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)周?chē)?jié)點(diǎn)以及自身的傳感信息；節(jié)點(diǎn)3，4，5為終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感信息，其傳感信息能夠經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后再經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器中進(jìn)行存儲(chǔ)。圖中虛線(xiàn)表示無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信路線(xiàn)。由于采用了樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩節(jié)點(diǎn)間的最遠(yuǎn)通信距離控制在15m以?xún)?nèi)，有效保證了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)各個(gè)功能模塊通過(guò)測(cè)試后，由微軟配套ASP.NET開(kāi)發(fā)工具IIS 6.0發(fā)布網(wǎng)站。實(shí)測(cè)表明:系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊都能夠正常運(yùn)行，有較好的穩(wěn)定性和友好的交互界面，而且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，這為豐富后續(xù)功能奠定了基礎(chǔ)。

在坐崗工作室，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)客戶(hù)端將所收集的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)，為鉆井作業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了數(shù)據(jù)源。鉆井作業(yè)時(shí)，各分布節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)客戶(hù)端界面

本系統(tǒng)是采用B/S模式構(gòu)建的基于WEB的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為滿(mǎn)足較高實(shí)時(shí)性要求，通過(guò)使用Ajax技術(shù)定時(shí)局部刷新，可實(shí)時(shí)顯示最新的傳感器數(shù)據(jù)。同時(shí)，在進(jìn)行鉆井作業(yè)工程分析時(shí)也需要遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的數(shù)據(jù)庫(kù)具有回溯歷史數(shù)據(jù)的功能。通過(guò)指定起止日期來(lái)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以獲得指定節(jié)點(diǎn)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢(xún)并繪制井口電機(jī)區(qū)域的溫度曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了傳感信息的圖形化顯示（圖5）。

圖5 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢(xún)

每個(gè)井場(chǎng)只需一個(gè)擁有GPS的節(jié)點(diǎn)，即可計(jì)算得到所有節(jié)點(diǎn)的GPS相對(duì)坐標(biāo)。結(jié)合節(jié)點(diǎn)的井場(chǎng)位置分布，使用Baidu Map進(jìn)行標(biāo)注，那么在遠(yuǎn)程監(jiān)控室就可方便地了解每一個(gè)井場(chǎng)的地理位置以及直觀地查看當(dāng)前井場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)分布情況。圖6是某一井場(chǎng)節(jié)點(diǎn)位置標(biāo)注與信息顯示。

通過(guò)添加“ASP.NET”文件夾Framework里的程序集“Office.dll”后，編寫(xiě)相應(yīng)調(diào)用代碼就可以實(shí)現(xiàn)指定數(shù)據(jù)報(bào)表的下載［10］，方便用戶(hù)導(dǎo)出所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行鉆井過(guò)程分析。為了適應(yīng)用戶(hù)的各種監(jiān)測(cè)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了參數(shù)設(shè)置模塊，便于用戶(hù)對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的重要監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置井場(chǎng)內(nèi)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要監(jiān)測(cè)參數(shù)的閾值，針對(duì)性地監(jiān)控環(huán)境，具有更好的適應(yīng)性，同時(shí)為服務(wù)器端預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

圖6 節(jié)點(diǎn)位置標(biāo)注與信息顯示

通過(guò)模擬緊急相關(guān)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性和可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測(cè)井口的異常數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障與危險(xiǎn)情況，所測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的精度要求。

3 總結(jié)

本文針對(duì)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WEB監(jiān)測(cè)。詳細(xì)介紹了其架構(gòu)與層次結(jié)構(gòu)。通過(guò)運(yùn)用Ajax等技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)可視化中的動(dòng)態(tài)性、實(shí)用性等問(wèn)題，提供了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)可視化的研究技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法。目前存在的主要問(wèn)題是:井場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、鏈路變化頻繁，導(dǎo)致連接失效、丟包率增加，其穩(wěn)定性有待進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］ 熊珺潔.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能協(xié)議設(shè)計(jì)［D］.安徽:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

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