岳林 梅大成 陳亞萍

摘要：LoRa（LongRange）是semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線傳輸技術(shù)，具有長距離，低功耗，速率低等特點，應用在石油領(lǐng)域的場景具有良好的效果。針對多油氣井環(huán)境復雜，數(shù)據(jù)難采集且油氣井分散，缺乏對數(shù)據(jù)集中管理的問題，設計了一種基于LoRa的多油氣井的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過LoRaWAN協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，并能將各個油氣井的傳感數(shù)據(jù)采集并上傳至云端，以實現(xiàn)多油氣井的智能化管理。

關(guān)鍵詞：LoRa;監(jiān)控系統(tǒng);LoRawWAN;油氣井智能化

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0264-03

1概述

隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，在石油領(lǐng)域里，各個油氣井的數(shù)據(jù)復雜，數(shù)據(jù)難以采集且油氣井分散，缺乏對數(shù)據(jù)集中管理。為解決多塊油氣井上數(shù)據(jù)難以采集，布線困難，數(shù)據(jù)繁多等問題，本文設計了一種基于LoRa的多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)。

LoRa作為低功耗廣域網(wǎng)的典型技術(shù)具有以下特點：超長距離的傳輸，功耗低，數(shù)據(jù)量小，網(wǎng)絡容量大等。LoRa采用線性擴頻調(diào)制技術(shù)，高達157 dB的鏈路預算使其通信距離可達15 km以上（與環(huán)境有關(guān)），空曠地方甚至更遠。相比其他廣域低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，LoRa終端節(jié)點在相同的發(fā)射功率下可與網(wǎng)關(guān)或集中器通信更長距離。LoRa網(wǎng)絡工作在非授權(quán)的ISM頻段，前期的基礎(chǔ)建設和運營成本很低。

2系統(tǒng)總體架構(gòu)

在該系統(tǒng)中，主要由若干傳感器、若干LoRa節(jié)點、若干Lo-Ra網(wǎng)關(guān)組成。根據(jù)LoRa特性，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲采用星型網(wǎng)絡。傳感器、節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的數(shù)量根據(jù)油氣井的數(shù)量來確定，油氣井上的數(shù)據(jù)通過LoRa節(jié)點的傳感器采集，再經(jīng)過LoRa節(jié)點的射頻模塊發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控軟件。如圖1為多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)。

3硬件結(jié)構(gòu)設計

在硬件的設計中，主要是以節(jié)點的設計為中心。對于節(jié)點傳輸來說，既要滿足數(shù)據(jù)的及時上報，也要滿足節(jié)點的低功耗。圖2為硬件節(jié)點設計架構(gòu)。

射頻模塊采用的是Semtech公司開發(fā)的SXl276模塊。SXl276射頻模塊實現(xiàn)了-148dBm以上的靈敏度。高靈敏度與集成的+20dBm功率放大器相結(jié)合，產(chǎn)生了業(yè)界領(lǐng)先的鏈路預算，使SX1276射頻模塊成為需要范圍或耐用性的任何應用場景的最佳選擇。

整個節(jié)點的硬件部分主要由，傳感器模塊，SWD燒寫模塊，GPIO口，LED模塊，SPI接口，電源組成。主控芯片STM32L0系列芯片與SXl276射頻模塊間的通信通過SPI實現(xiàn)。傳感器與主控芯片間通過12C或者SPI進行通信。傳感數(shù)據(jù)先通過傳感器經(jīng)過MCU的簡單處理后，將數(shù)據(jù)傳給SXl276的射頻模塊，通過射頻前端LoRa的擴頻調(diào)制技術(shù)將傳感數(shù)據(jù)發(fā)射到網(wǎng)關(guān)。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1軟件協(xié)議

LoRaWAN是LoRa聯(lián)盟針對LoRa終端低功耗和網(wǎng)絡設備兼容性定義的標準化規(guī)范，主要包含網(wǎng)絡的通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。LoRaWAN的標準化保證了不同模塊、終端、網(wǎng)關(guān)之間的互操作性，物聯(lián)網(wǎng)方案提供商和電信運營商可以加速部署。

相比其他有線或無線物聯(lián)網(wǎng)解決方案，基于LoRaWAN傳輸技術(shù)的油氣井物聯(lián)網(wǎng)具有如下優(yōu)勢：

（1）網(wǎng)絡拓撲為星形組網(wǎng)，維護費用低;

（2）組網(wǎng)的成本低;

（3）功耗很低，節(jié)點可用電池供電;

（4）傳輸距離遠;

（5）ISM非授權(quán)頻段，適合油氣井專屬的網(wǎng)絡建設;

（6）端到端加密，確保用戶數(shù)據(jù)的傳輸安全性;

（7）數(shù)據(jù)分發(fā)接口多，支持WebSocket和HTTPS等協(xié)議。

LoRaWAN協(xié)議定義了三類節(jié)點，這樣做的好處是，用戶可以根據(jù)應用場景、節(jié)能需求和喚醒時延，靈活地選擇最佳的種類。而且協(xié)議允許節(jié)點在運行中根據(jù)需要，進行A類和B類的切換。三類節(jié)點的優(yōu)缺點比較如表1所示。

在正式收發(fā)數(shù)據(jù)之前，節(jié)點都必須先加網(wǎng)。節(jié)點有兩種加網(wǎng)方式：

（1）空中激活方式（OTAA，Over-the-Air Activation）

（2）獨立激活方式（ABP，Activation by Personalization）

LoRaWAN網(wǎng)絡采用OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備DevEUI、AppEUI、AppKey這三個參數(shù)。節(jié)點在發(fā)起加網(wǎng)請求流程后，發(fā)出加網(wǎng)命令，網(wǎng)絡服務器確認無誤后會給節(jié)點返回加網(wǎng)回復，分配網(wǎng)絡地址DevAddr，雙方利用加網(wǎng)回復中的相關(guān)信息以及AppKey，產(chǎn)生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數(shù)據(jù)進行加密和校驗。圖3為OTAA激活流程。

LoRaWAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸速率范圍為0.3 kbps至37.5 kb-ps，為了最大化終端設備電池壽命和整個網(wǎng)絡容量，Lo-RaWAN網(wǎng)絡服務器通過一種速率自適應（ADR）方案來控制數(shù)據(jù)傳輸速率和每一終端設備的射頻輸出。

4.2監(jiān)控管理軟件

在監(jiān)控管理軟件的設計中，首先對監(jiān)控軟件進行需求分析。首先對監(jiān)控管理軟件進行功能劃分，主要的功能是可以對各個油氣井的狀態(tài)信息進行可重復的查詢，對于不同的油氣井要實現(xiàn)多線程同步的查詢，其次的功能可以根據(jù)傳感數(shù)據(jù)來進行系統(tǒng)報警。根據(jù)監(jiān)控軟件的需求分析，所要實現(xiàn)的功能為：

（1）多油氣井狀態(tài)查詢;

（2）傳感數(shù)據(jù)的監(jiān)控;

（3）傳感器數(shù)據(jù)的報警。

圖4為多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)的主界面。

在對一個油氣井查詢后，對傳感數(shù)據(jù)的監(jiān)控主要是通過對傳感數(shù)據(jù)的顯示，每1秒對傳感數(shù)據(jù)進行更新，使監(jiān)控人員能夠更加方便直觀的通過當前的傳感數(shù)據(jù)對油氣井的狀態(tài)進行分析與預測。圖5為傳感數(shù)據(jù)的監(jiān)控界面。

在傳感數(shù)據(jù)的監(jiān)控和報警界面設定傳感器的報警上下限的數(shù)據(jù)范圍。當接收到的數(shù)據(jù)大于上限或者小于下限時，對該傳感器節(jié)點的狀態(tài)顏色改變來達到報警的效果。圖6為壓力傳感器節(jié)點的報警圖。

5結(jié)論

本文設計的基于LoRa的多油氣井監(jiān)控系統(tǒng)主要負責采油井、注氣井、勘探井等多個種類油氣井的壓力、溫度、流量等傳感數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，在數(shù)據(jù)復雜且多樣的情況下通過此系統(tǒng)能夠有效地提高數(shù)據(jù)采集速度和油氣井管理效率。由此可見，LoRa技術(shù)對石油工業(yè)自動化領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。