随着“数字油田”建设的不断推进,油田信息化建设得到了很大发展。各种生产信息系统的建立极大地方便了技术人员的日常工作,提高了安全生产的效率。数据自动化采集、信息处理将是建设“数字油田”乃至“智能油田”的必然趋势。近些年,各种无线传感器网络和无线传输技术发展日趋成熟,为油田信息系统建设提供了又一种行之有效的技术手段。
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)技术是利用布置在无人值守的监控区域内具有通信和运算能力的传感器节点,自主完成对检测对象的信息采集、感知等指定任务的技术。无线传感器网络是集传感器技术、通信技术、嵌入式计算和分布式处理技术为一体,特别适合于油田点多面广的应用场合。
1、系统网络结构
以油田A为例,需为生产设备相对集中的“井群”设计无线传输方案。湖滩分布着69口油井(浅黄色标记)和21口注水井(深绿色标记)。
针对现场需求和ZigBee无线传感器网络技术,考虑将温压仪、示功仪、双压仪节点作为“终端(EndDevice)”,负责采集信息以监控油田生产设备,用电池供电;中转节点作为“路由(Router)”转发网络中的信息;“协调器(Co-ordinator)”则安装在各区块的平台上,并通过终端机与队部中控室通信。路由和协调器均由市电供电。这样就将5个油井区块划分为5个协调器短地址不同的ZigBee网络。主站(协调器)负责启动网络,所有终端通过路由接入网络,组成树状或网状结构。上位机通过主站及其网络便可实现命令的下发和数据的读取。
通过GoogleEarth和现场测量,一般油井之间的距离在50米至100米。经测试,ZigBee节点间较大数据量(功图数据,约为1KB)的最大稳定通信距离在50米左右,距离越远传输效果越差,且通信时节点传输信道之间须尽可能无遮挡。因此可靠传输的关键在于“路由”型节点的合理布置。同时需解决两个问题:一是因现场比较空旷,要保证“路由”型节点的安装位置能提供可靠供电并满足防汛要求;二是在软件设计上,经过“路由”型节点透明传输的数据一旦丢失,则无法通过协议栈捕获,而必须在数据接收端由上位机来判断。
基于上述考虑,温压仪、示功仪、双压仪作为“终端”节点,中转节点由原来的“路由”节点改为“协调器”,并与电量仪一起安装在油井平台的电机控制柜中。即每个油井平台使用(或多个共用)一个中转节点,每个中转节点即代表一个独立的个人局域网(PAN),其附近的终端型节点为其子节点。中转节点又作为网关,以433MHz无线方式与主站(433MHz数传模块)进行通信,当然5个区块的433MHz频道各不相同,每个区块作为一个独立的网络,各网络间互不干扰。
2、系统硬件设计
2.1传感器(终端)节点
综合节点设计的各种需求,选择Jennic的JN5139模块作为节点的主控芯片,它是一款适用于IEEE802.15.4和ZigBee应用环境的低功耗、低成本微控制器,集成了32位RISC处理器(32MIPS)、2.4GHzIEEE802.15.4无线收发器、192kBROM、96kBRAM以及丰富的模拟数字外围接口。
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