基于ZigBee技術的油田示功參數監(jiān)控系統(tǒng)
0 引言
隨著全球經濟的穩(wěn)步發(fā)展,石油的在人們生產、生活中的應用越來越廣,石油的需求量也與日俱增。人們對石油的生產更加關切。目前,油田現場采集、監(jiān)控一般采用傳感器進行數據的采集,然后將信號通過電纜傳送到控制中心加以處理。油田現場所處環(huán)境偏遠惡劣、地勢復雜,油井分布廣、數量多,鋪設固定通信線路成本高、線路長、設備造價高、投資大等特點,制約了油田的生產監(jiān)控。本文提出將ZigBee技術應用在油田監(jiān)控中。
1 ZigBee技術簡介
近年來,隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)、片上系統(tǒng)(SOC)、傳感、嵌入式計算、網絡和通信等方面的飛速發(fā)展,無線傳感網絡(WSN)以其成本低、組網靈活、受地理環(huán)境限制少等優(yōu)點,在許多領域都展示了廣闊的應用前景。ZigBee技術利用全球共用的公共頻率2.4GHz,具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)勢,目前被視為替代有線監(jiān)控網絡最有前景的技術之一。與傳統(tǒng)無線技術相比(見表1),ZigBee的特點主要表現以下幾個方面:
(1)低功耗。待機模式,2節(jié)AAA干電池可支持1個節(jié)點工作0.5~1年。
(2)低成本。協(xié)議大幅簡化,免執(zhí)照頻段,免協(xié)議專利費。
(3)低速率。250kb/s(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始數據吞吐率。
(4)近距離。傳輸范圍為10~75m,提高RF發(fā)射功率,可增加到1~3km。
(5)網絡容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet,可組成65000個節(jié)點大網。
(6)短時延。ZigBeen響應速度快,睡眠轉入工作狀態(tài)需15ms,節(jié)點連接入網需30ms。
(7)安全性能高。提供三級安全模式:無安全設定、接入控制清單(ACL)、防止非法獲取數據及采用AES-128對稱密碼。
2 系統(tǒng)總體方案
加速度傳感器、載荷傳感器定時收集各井口的示功參數,在ARM處理器控制下,通過ZigBee無線模快,在IEEE802.15.4技術標準的支持下,由ZigBee網絡發(fā)送到ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調器,經衛(wèi)星或GPRS網絡將數據發(fā)送至控制中心,及時掌握采油現場的工作參數,實現數據的匯總、整理與分析,并及時對終端下達控制命令,調整生產。
該系統(tǒng)分數據采集終端、Zi gBee無線路由器、ZigBee/WN協(xié)調器、控制中心四個部分。油田監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1示。 圖一油田監(jiān)控系統(tǒng)架構
系統(tǒng)由三級WN組成,結構簡單、性能穩(wěn)定、易于實現。低功耗為該系統(tǒng)突出表現。ZigBee無線網絡采用的是2.4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無需申請的ISM頻段。該頻段(2.4~2.483GHz)被劃為16個信道,數據傳輸速率250kb/s,碼元速率為62.5kbaud,采用16進制正交調制,用碼片長度為8的偽隨機碼直接擴頻。GPRS傳輸速度為56~115Kb/s。與GPRS網絡結合使用,可以滿足ZigBee網絡傳輸數據的需求,可以減少系統(tǒng)建設初期的投資費用,減輕網絡運行維護工作量,使油井示功參數及時、準確地傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)通過ZigBee和GPRS兩種無線網絡的連接,實現實時監(jiān)控,對油田出現的問題及時發(fā)現和處理。
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