曹慶年，劉 暢，孟開元

(西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065)

基于ZigBee和WiFi的油田無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹慶年，劉 暢，孟開元

(西安石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710065)

針對(duì)油田數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測及遠(yuǎn)程應(yīng)用的需求，提出了一種用于油田的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將ZigBee技術(shù)與WiFi技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的無線傳輸；傳感節(jié)點(diǎn)以XBee PRO S2B 為主控芯片，通過電量、壓力、載荷、位移、溫度傳感器實(shí)時(shí)采集項(xiàng)目數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳至ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)送至WiFi網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)換器既作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，又作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)；通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，數(shù)據(jù)可以在移動(dòng)手持設(shè)備上顯示并并進(jìn)行分析。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油田的遠(yuǎn)程監(jiān)測、2種通信技術(shù)的轉(zhuǎn)換及低功耗、高速率數(shù)據(jù)傳輸，使油田數(shù)據(jù)的采集更加方便、靈活。

油田監(jiān)測系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集；ZigBee；WiFi；中繼轉(zhuǎn)換器

目前，國內(nèi)油田自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線傳輸方式，ZigBee與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式在野外環(huán)境下，不僅成本高昂、布線繁雜，且數(shù)據(jù)采集的可靠性和穩(wěn)定性也得不到保證，給實(shí)時(shí)處理帶來很大的不便。并且，國內(nèi)的轉(zhuǎn)換器主要實(shí)現(xiàn)無線與有線的相互轉(zhuǎn)換，例如博控自動(dòng)化技術(shù)有限公司的ZigBee無線網(wǎng)關(guān)GW400，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線接收，能夠結(jié)合GPRS擴(kuò)展通信距離；璽瑪克(深圳)智能科技有限公司生產(chǎn)的 ZigBee 無線轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)將 485 信號(hào)轉(zhuǎn)換為無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，在沒有干擾的情況下，通信距離可以達(dá)到 2 km，比較適合于布線施工不方便的地方和容易遭受雷擊的室外場所[1]?；谟芯€到無線或者無線到有線的工作方式，單井?dāng)?shù)據(jù)及示功信息都是通過上位機(jī)或油井的示功儀顯示，但這對(duì)于邊遠(yuǎn)的單井則不太適用。本文將ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)的核心硬件模塊，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的無縫轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)從終端設(shè)備到移動(dòng)手持設(shè)備的可靠傳輸。手持設(shè)備端利用Java語言在Android操作系統(tǒng)平臺(tái)下編寫數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，完成單井相關(guān)數(shù)據(jù)的采集以及示功圖的顯示。油田工作人員只需攜帶ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器與移動(dòng)終端到生產(chǎn)現(xiàn)場，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，這既最大程度實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗，方便各級(jí)工作人員查看，更提高了油田的自動(dòng)化水平。

1 油田無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

油田無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)由前端的數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收傳輸和數(shù)據(jù)采集顯示3部分組成。前端的數(shù)據(jù)發(fā)送部分包括各類傳感器和無線儀表；數(shù)據(jù)接收傳輸部分為ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器；數(shù)據(jù)采集顯示部分為移動(dòng)手持設(shè)備，可為平板電腦或手機(jī)。

系統(tǒng)先對(duì)ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的搭建，采用自組織組網(wǎng)的方式創(chuàng)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)，首先在系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，等待油井中的載荷測試數(shù)據(jù)以及位移測試數(shù)據(jù)或其他抽油機(jī)相關(guān)測試數(shù)據(jù)，這些測量值經(jīng)處理器換算后得到相應(yīng)的可傳輸參數(shù)，并通過ZigBee無線射頻模塊傳輸給ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)檢測人員靠近油井開啟手持的移動(dòng)終端后，喚醒中繼轉(zhuǎn)換器的WiFi模塊并與手持的平板電腦進(jìn)行連接，而后將所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，手持終端接收數(shù)據(jù)后，測試收到的常規(guī)數(shù)據(jù)是否正常，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并顯示示功圖，分析采集的功圖是否正常，然后存儲(chǔ)在平板電腦的SD卡上。

圖1 設(shè)備連接圖

2 油田無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器

系統(tǒng)ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換，是一種建立在應(yīng)用層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器。它既作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器使用，完成整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的搭建，又作為WiFi網(wǎng)絡(luò)的無線節(jié)點(diǎn)[2]。此轉(zhuǎn)換器基于RS-232的SP3232平臺(tái)和ZigBee及WiFi軟件協(xié)議棧，能滿足低功耗、微型化、性能穩(wěn)定的要求，同時(shí)又滿足模塊化，便于再次開發(fā)。ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器由ZigBee收發(fā)信模塊、WiFi收發(fā)信模塊、RS-232收發(fā)器SP3232、電壓轉(zhuǎn)換器TPS62056、充電器TP4056、串口、USB接口和供電模塊等部分組成，主要功能為：ZigBee模塊完成對(duì)前端無線傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的接收；WiFi模塊主要是將數(shù)據(jù)以WiFi數(shù)據(jù)包格式發(fā)送給接收終端；RS-232收發(fā)器模塊主要完成ZigBee數(shù)據(jù)和WiFi數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)聯(lián)通；供電模塊負(fù)責(zé)對(duì)主要模塊的運(yùn)行提供能源；串口模塊為ZigBee模塊和WiFi模塊提供通信接口；USB模塊可以與外圍設(shè)備連接，在無電池情況下可以供電。中繼轉(zhuǎn)換器的硬件電路如圖2所示。

圖2 中繼轉(zhuǎn)換器硬件電路圖

中繼轉(zhuǎn)換器的ZigBee模塊是基于EMBER EM357芯片開發(fā)的2.4GHz的ZigBee產(chǎn)品。 WiFi模塊選用USR-WiFi232-B，由于ZigBee模塊和WiFi模塊都置有UART芯片，是一個(gè)并行輸入成為串行輸出的芯片，屬于TTL電平的串口，提供RS-232數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口。電腦的COM口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，當(dāng)中繼轉(zhuǎn)換器的ZigBee模塊和WiFi模塊連接PC時(shí)，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才可以進(jìn)行通信，因此它需要一個(gè)RS-232驅(qū)動(dòng)器來轉(zhuǎn)換電平。ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器中必須加入串口轉(zhuǎn)換電路，以此來實(shí)現(xiàn)ZigBee和WiFi通信。

ZigBee與WiFi轉(zhuǎn)換選用SP3232，它是RS232收發(fā)器對(duì)于手持式應(yīng)用的一種解決方案。工作電壓為+3.0～+5.5 V，滿載最小數(shù)據(jù)速率為120 kB/s,電源低至+2.7 V，ESD保護(hù)驅(qū)動(dòng)使得驅(qū)動(dòng)器和接收器的管腳可承受15 kV人體放電模式和IEC1000-4-2氣隙放電模式。以此來實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)到WiFi數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[3]。連接電路圖如圖3和圖4所示。

2.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)中用到的不同儀表，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測機(jī)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)都通過網(wǎng)絡(luò)號(hào)和通道號(hào)尋找網(wǎng)絡(luò)以加入，而且只有符合共同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)且配置相同參數(shù)的節(jié)點(diǎn)才能夠自主地加入到此網(wǎng)絡(luò)中。

系統(tǒng)的所有傳感器節(jié)點(diǎn)都是以XBee PRO S2B為主控芯片，節(jié)點(diǎn)將電量、壓力、載荷、溫度等傳感器和無線儀表的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)，與此同時(shí)接收并執(zhí)行ZigBee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)來的調(diào)控指令。

圖3 RS232收發(fā)器與WiFi模塊連接電路圖

圖4 RS232收發(fā)器與ZigBee模塊連接電路圖

電量傳感器采用L308，用于測量電機(jī)電流、壓力、功率等參數(shù)采集，自帶RS232、RS485通信接口，可與變頻器等其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。自帶I/O接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)有線儀表的采集，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟?；蚱渌O(shè)備的啟?？刂?。

壓力傳感器采用SZ903D，用于壓力采集，電池供電，可使其處于休眠模式，定期喚醒采集壓力值并發(fā)送網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的顯示和設(shè)定。

載荷傳感器采用SZ902Z，用于抽油機(jī)示功圖的采集，太陽能供電，可使其處于休眠模式，定期喚醒采集示功圖，可產(chǎn)生仿真功圖，進(jìn)行仿真測試。

位移傳感器采用SZ907，用于抽油機(jī)光桿的位移采集，電池供電，可使其處于休眠模式，定期喚醒采集壓力值并發(fā)送網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)的顯示和設(shè)定。

3 油田無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

油田項(xiàng)目參數(shù)被采集并通過ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，油田工作人員可以通過手持設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為了配套ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器通過平板電腦對(duì)儀表以及傳感器進(jìn)行調(diào)試及配置，需要接受并解析儀表或傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)，并做相應(yīng)的處理，因此應(yīng)用Android平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)，利用Java語言設(shè)計(jì)適用于平板電腦的移動(dòng)客戶端，完成移動(dòng)客戶端的功能模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)單井載荷和位移數(shù)據(jù)的采集，以示功圖的形式顯示，形象且準(zhǔn)確地顯示其關(guān)系，完成油田的可視化監(jiān)測。

3.1 軟件系統(tǒng)描述

3.1.1 需求概述 該軟件是為了配套ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器通過平板電腦來對(duì)油田中的無線傳感器和無線儀表進(jìn)行調(diào)試及配置，需要接收并解析傳感器和儀表發(fā)出的數(shù)據(jù)，采集出功圖，并做出相應(yīng)的處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.1.2 運(yùn)行環(huán)境 平板電腦需要滿足以下參數(shù)要求：

(1)處理器速度：1.3GHz以上；

(2)系統(tǒng)內(nèi)存：1GB以上；

(3)屏幕尺寸：7in；

(4)屏幕比例：16∶9；

(5)屏幕分辨率：1280×800；

(6)USB接口：micro USB；

(7)系統(tǒng)版本： android4.0以上；

(8)WiFi功能：支持。

3.2 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件主要從界面模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)口通信模塊、控制邏輯模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。界面模塊的功能是設(shè)定自定義控件的參數(shù)和功能，模塊設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)每個(gè)界面的文件布局，設(shè)定自定義窗體參數(shù)，設(shè)定美化控制，設(shè)定繪制功圖的自定義畫布控件。數(shù)據(jù)處理模塊功能包括：①通過java語言實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用CRC即循環(huán)冗余校驗(yàn)，它是校驗(yàn)一整個(gè)傳送數(shù)據(jù)塊，信息字段和校驗(yàn)字段的長度可以任意選定，發(fā)送方通過指定的生成多項(xiàng)式產(chǎn)生CRC碼字，接收方則通過該生成多項(xiàng)式來驗(yàn)證收到的CRC碼字。②解析收到的數(shù)據(jù)，解析XML文件[4]。本設(shè)計(jì)采用DOM解析XML文檔，建立樹形結(jié)構(gòu)的方式訪問，整個(gè)文檔樹都存在內(nèi)存中，便于操作，支持刪除、修改、重新排列等多種功能。網(wǎng)口通信模塊功能是UDP網(wǎng)口數(shù)據(jù)收發(fā)，Java對(duì)UDP協(xié)議提供了DatagramPacket類和DatagramSocket類，用來支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)通信，DatagramSocket用于在程序之間建立傳送數(shù)據(jù)報(bào)的通信連接，DatagramPacket用來表示一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)將兩者結(jié)合起來使用才能完成數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和接收?？刂七壿嬆K功能是控制任務(wù)線程，通過線程的控制與調(diào)度可使線程在新建狀態(tài)(New)、就緒狀態(tài)(Runnable)、運(yùn)行狀態(tài)(Running)、阻塞狀態(tài)(Blocked)、消亡狀態(tài)(Dead)間轉(zhuǎn)化[5]。軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

功圖采集軟件的主要功能是監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是否對(duì)應(yīng)選擇的井名，以完成對(duì)ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器的通信參數(shù)配置，之后等待載荷發(fā)送的數(shù)據(jù)，測試收到的常規(guī)數(shù)據(jù)是否正常，并采集功圖，查看采集的功圖是否正常，然后儲(chǔ)存到平板電腦的SD卡中，并可測試ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)場的實(shí)際有效通信距離。程序流程如圖6所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)圖

圖6 程序流程圖

配置工具調(diào)試軟件的主線程用來接收數(shù)據(jù)，發(fā)送線程用來發(fā)送控制指令。在人工監(jiān)控的狀態(tài)下，接收線程接收顯示發(fā)送來的數(shù)據(jù)，工作人員確定監(jiān)測指令后，將指令通過發(fā)送線程發(fā)送到指定節(jié)點(diǎn)上，以完成節(jié)點(diǎn)配置的更改和數(shù)據(jù)的接收。

4 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

基于ZigBee和WiFi的油田無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件和軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，為了完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，首先必須對(duì)ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器以及各終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊進(jìn)行設(shè)置。通過ZigBee廠商提供X-CTU串口將中繼轉(zhuǎn)換器的ZigBee模塊配置成協(xié)調(diào)器，串口波特率設(shè)為9 600，將傳感器及無線儀表的ZigBee模塊配置成終端。配置ZigBee-WiFi中繼轉(zhuǎn)換器的WiFi模塊需先使用平板電腦連接到模塊建立的WiFi網(wǎng)絡(luò)中，然后通過瀏覽器登陸到配置網(wǎng)頁進(jìn)行配置，待相應(yīng)參數(shù)配置完成，重啟模塊。初始化配置完成后，打開平板電腦上的功圖采集軟件，選擇對(duì)應(yīng)的井名，完成通信參數(shù)的配置，之后等待發(fā)送的載荷及位移數(shù)據(jù)，查看收到的數(shù)據(jù)是否正常，并采集功圖，測試采集的功圖是否正常，并存到平板電腦的SD卡中，進(jìn)而斷開連接。等載荷通信效率降為0后，再次嘗試連接，重復(fù)上述步驟，進(jìn)行功圖采集并分析。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

本系統(tǒng)測得載荷為3 965 W，加速度為9 870 m/s2，得到抽油機(jī)光桿的載荷與位移的關(guān)系，并測得的最佳通信距離在20 m以內(nèi)，為油田的安全可靠生產(chǎn)提供了依據(jù)。

5 結(jié)束語

基于ZigBee和WiFi的無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，完成了硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，解決了許多難點(diǎn)問題，如：無線儀表節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)，采集數(shù)據(jù)的圖形顯示，通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換等。最后，也驗(yàn)證了此監(jiān)測平臺(tái)對(duì)于油田數(shù)據(jù)采集的可行性和準(zhǔn)確性。但是由于此項(xiàng)目工作量大，時(shí)間有限，仍然存在幾個(gè)待改進(jìn)和完善的方面：

(1)無線監(jiān)測平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)部分還需要進(jìn)一步完善，可對(duì)中繼轉(zhuǎn)換器作進(jìn)一步優(yōu)化，在抗干擾、低功耗等方面作進(jìn)一步研究。

(2)無線監(jiān)測平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)部分，可在界面的優(yōu)化方面進(jìn)行完善，模塊界面體現(xiàn)不同的風(fēng)格，頁面更加美觀，提高用戶體驗(yàn)指數(shù)；由于Android系統(tǒng)提供傳感器功能，可以靈敏地檢測到人們的肢體動(dòng)作，因此，可以在應(yīng)用程序中利用傳感器功能來提高APP的便捷度[6]，如：可以通過搖晃手持設(shè)備進(jìn)行翻頁功能，也可以通過滑動(dòng)屏幕進(jìn)入到下一模塊界面，這樣對(duì)于油田測試人員來說，更加快捷和方便。

(3)由于油田地理環(huán)境惡劣，終端節(jié)點(diǎn)都會(huì)在不經(jīng)意間逐個(gè)死亡。怎樣得知死亡節(jié)點(diǎn)的信息是一個(gè)未解決的難題。因此，未來的一個(gè)重點(diǎn)工作是研究節(jié)點(diǎn)的死亡算法，如何準(zhǔn)確地確定死亡節(jié)點(diǎn)的信息，以及如何能實(shí)時(shí)告知用戶，都將在以后的研究中加以完善。

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責(zé)任編輯：張新寶

2014-12-25

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目“無線短程網(wǎng)在油田應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與理論研究”(編號(hào)：CXY1121(2))

曹慶年(1963-)，男，碩士，教授，主要從事通信工程、嵌入式系統(tǒng)研究。E-mail：qncao@xsyu.edu.cn

1673-064X(2015)03-0100-05

TP274+.2; TP368.1

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