ZigBee在油田数字化建设中的应用
基于力控监控软件的Ziee技术在油井数据采集中的应用
基于力控监控软件的Z i e e技术在油井数据采集中的应用集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）基于力控监控软件的Zigbee技术在油井数据采集中的应用发布时间：2009-11-17作者：luoyanjun1234点击：13基于力控监控软件的Zigbee技术在油井数据采集中的应用关键词：力控监控组态软件 ForceControl6.1 Zigbee无线技术油井数据采集1、行业背景1.1、现状由于实际地形的原因目前我国的油井一般都很分散，分布范围广，地区偏远采油厂一般由多口油井、计量站、管汇阀组，转油站，联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，整个采油厂的各种设施的工作状态及采出油品的数据（主要有温度、压力、流量等）直接关系到油田生产的稳定及原油质量。
如果对每一个采集点都采用GPRS/CDMA+RTU的数据采集方案不仅成本高而且由于边远地区移动信号盲点多且一般软件将GPRS网络绑定虚拟串口的查询访问方式造成数据传输不稳定的隐患，数据不能及时准确地送到监控中心，影响油井的动态分析和日常管理，不能及时有效地对油井的工作情况进行分析和管理，影响油井的正常工作，降低了工作效率，增加了不必要的成本。
1.2、需求分析针对上述情况，必须采用新的技术进行便捷有效的升级改造，在保证数据及时、有效的传送到监控调度中心的前提下，又要考虑降低升级改造的成本，针对此应用场合，采用Zigbee技术与力控监控组态软件ForceControl6.1相结合通过其功能组件CommBridge进行数据采集非常合适。
2、系统网络拓扑图整个监控网络可以分为三个层次1）基于Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络采用星型或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每个Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率。
基于Zig Bee组网的通信组合技术与路由协议算法的优化
基于Zig Bee组网的通信组合技术与路由协议算法的优化杨军1李丹2魏斌3张飞朋41大庆油田设计院有限公司2中国石油天然气管道工程有限公司3华北油田公司物资分公司第二供应业务部4中国石油新疆油田分公司采油二厂摘要：随着智慧油田的建设，油田数字化快速发展，油田地区基本实现生产数据的自动化采集、存储和分析。
某煤层气田大部分井处于山腰或山间，存在GPRS信号不稳定、井组设备成本比较高、数据传输存在失效性和时延性等问题。
通过使用Zig Bee协调器与终端建立网络通信，再通过位置灵活性强的GPRS模块传出数据；将现有的Cluster-Tree路由算法的Zig Bee协议与AODVjr算法结合优化，以降低数据传输的失效性和时延性。
对两种算法和优化后的算法进行直观的仿真模型比较，结果表明:算法优化后，在保证节约电池能量的同时，失效性和时延时间问题得到了很大的改善。
关键词：通信组合；路由算法；Zig Bee；失效性；时延性；优化Communication Combination Technology and Optimization of Routing Protocol Algo⁃rithm Based on Zig Bee NetworkYANG Jun1，LI Dan2，WEI Bin3，ZHANG Feipeng41Daqing Oilfield Design Institute Co.，Ltd.2China Petroleum Pipeline Engineering Co.，Ltd.3The Second Supply Business Department of Material Branch of Huabei Oilfield Company4No.2Oil Production Plant of Xinjiang Oilfield Company，CNPCAbstract：With the construction of smart oil fields and the rapid development of oilfield digitaliza-tion，automatic collection，storage and analysis of production data are basically realized in oil fields.Most of the wells in a coalbed methane field are located on the mountainside or between the moun-tains，so there are some problems，such as unstable GPRS signal，relatively high cost of well group equipment，failure and time-ductility of data transmission.By using Zig Bee coordinator to establish network communication with the terminal，and then through the GPRS module with high position flexibility to transmit data，the Zig Bee protocol of the existing Cluster-Tree routing algorithm is com-bined with AODVjr algorithm to optimize the algorithm to reduce the data transmission failure and time ductility.The two algorithms and the optimized algorithm are intuitionistic compared with the simula-tion model.The results show that the optimized algorithm can not only save the battery energy，but al-so improve the failure and time ductility.Keywords：communication combination；routing algorithm；Zig Bee；failure；time-ductility；op-timization随着油田自动化、数字化的快速发展，对油田建设相配套的网络和通信技术要求越来越高，特别是山间、野外现场集中的油水井数据采集，存在通信信号不稳定等问题。
基于zigbee技术的油田油井测控方案
基于zigbee技术的油田油井测控方案ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
目录1、基于zigbee技术的油田油井测控方案简介2、基于zigbee技术的油田油井测控系统应用原理3、基于zigbee技术的油田油井测控系统构成4、基于zigbee技术的油田油井测控系统特点5、基于zigbee技术的油田油井测控系统主要性能6、基于zigbee技术的油田油井测控系统应用7、ZigBee技术发展前景基于zigbee技术的油田油井测控方案简介：系统主要由采油场监控中心和油井无线遥测遥控主机、传感器、电机控保装置等组成，通信部分采用ZIGBEE无线网络传输。
采油场监控中心一般设置在矿部、队部或其它监控调度部门，包括有管理计算机，ZIGBEE 网络的中心节点；油井工作状态传感器主要有温度传感器，电压传感器，电机电流传感器，被监控开关断/合传感器，它们将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值通过ZIGBEE通信模块送至远程智能无线RTU。
基于802.15.4/zigbee技术的无线传感器网络的油井监测系统，采用大量传感器无线组网传输的方式，完全摈弃了传统的单一使用GPRS，GSM，数字电台监控油井的方法。
使设备费用投入大及运营成本高，维护难度大的问题得到彻底的解决。
大大提高了系统的稳定性，施工方便，并实现油井井场内无线化。
基于zigbee技术的油田油井测控系统应用原理：根据油井的分布规律系统采用ZIGBEE技术和其他无线技术结合。
由于油井一般是成群分布，单一油井和其他油井相距交远的情况不多。
在井场内部和井群内部由ZIGBEE终端节点，路由节点，协调器节点组成一个无线网。
整个井群的数据再经GPRS或GSM传回相距交远的数据中心和使用单位。
在数据中心或使用单位经过对数据处理，对油井进行时时监测。
ZigBee技术在安塞油田数字化井场的应用
场主 Ｒ Ｕ、配水 间Ｒ Ｕ、无线模块 、压力变送器等数据采集与传输设备 ，以及具有视频监控和 Ｔ Ｔ 闯入 报 警功 能 的 综合 性数 字化 井场 。安 塞 油 田 井场基 本 都是 丛 式 井场 ，井 口与主 ＲＴＵ之 间传 输
距 离较 短 ，数据 采 集 量 不是 很 大 ，使 得 Ｚ ｇ ｅ 无 线 通信 技 术 更适 合 现 场 实际的 需要 。从 目前 推 ｉＢ ｅ
１ ，表 明无 线模 块初 始 化失 败 。 次
３ 可靠性 分析
Ｚｇ ｅ 无线 通信 具有 很高 的可靠 性 。 ｉ ｅ Ｂ
（ ）发 射 功 率 １ ０ｍＷ （ ０ｄ ｍ） １ ０ ２ Ｂ ；接 收 灵 敏
度一 ０ Ｂ （ 码 率 Ｂ Ｒ １－ ） １５ｄ ｍ 误 Ｅ ＝０ ２。
（ ）高抗干扰能力和低误码率 。基于 Ｑ Ｓ ２ Ｐ Ｋ的 Ｓ ９０有 ６个 状 态 指示 灯 ：运行 状 态 指示 一 无 线 模 调制方式 ，采用高效前 向纠错信道编码技术 ，提高 Ｚ３ 块 正 常运 行 时 每秒 闪烁 １ ；串 口接 收 、发送 指 示 了数据 抗 突发 干扰 和 随机 干扰 的能力 。采用 直 序扩 次
２ Ｓ ９０ Ｚ 无线通讯模 块 的工作方 式 ３
（ ）初 始化 。控 制 器上 电运 行 过程 是 ：上 电一 １ 控 制器 初始 化一 无 线模 块初 始 化一 正 常运 行 。若 此 过程 正 确 ，指示 灯将 按 如 下规 则 闪烁 ：上 电一 指示
到 主控 制器 数据 的信号 增 益 ，此 二数 据 为负 值 ，即 数据 越 大 ，表 明信 号增 益越 小 ；一般 接 收增 益数 值 不 能大 于 １０ ０ ，否 则 可 能不 能 正 常 通信 。通 信 效 率 为 主控 制器 接 收到某 采 集 器正 确应 答 次数 与 其 向此 采集 器发 送 数据 次数 的百分 比值 ，控 制器 上 电 时此
ZigBee无线传感网络在油田中的应用研究
目录摘 要 (I)Abstract (II)插图索引 (III)附表索引 (IV)第1章 绪 论 (1)1.1 课题研究意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 国外研究现状 (2)1.2.2 国内研究现状 (3)1.3 本文的主要研究工作 (3)1.4 本文的内容安排 (4)第2章 基于ZigBee技术的RTU设计 (5)2.1 RTU介绍 (5)2.2 ARM处理器 (5)2.2.1 ARM介绍 (5)2.2.2 ARM微处理器系列 (6)2.2.3 ARM微处理器的特点 (6)2.2.4 ARM920T微处理器 (7)2.3 功能需求 (8)2.4 硬件设计 (9)2.4.1 硬件架构设计 (9)2.4.2 ZigBee模块接口设计 (10)2.5 软件设计 (13)2.5.1 软件层次结构 (13)2.5.2 ARM9操作系统 (14)2.6 本章小结 (20)第3章 基于ZigBee协议的无线传感器网络协议及组网技术 (21)3.1 ZigBee协议 (21)3.2 ZibBee设备类型 (23)3.3 ZibBee三种网络拓扑结构 (24)3.4 ZibBee组网原理 (24)3.4.1 建立网络 (24)3.4.2 加入网络 (25)3.4.3 离开网络 (25)3.4.4 网络建立过程 (25)3.5 ZigBee组网实现 (26)3.5.1 ZigBee点对点通信实现 (26)3.5.2 ZigBee点对多通信实现 (31)3.5.3 ZigBee星形网络组网 (32)3.6 本章小结 (40)第4章 ZigBee油田组网方案设计 (41)4.1 背景 (41)4.2 三种2.4G无线技术对比 (42)4.3 组网方案 (44)4.3.1 方案一 (44)4.3.2 方案二 (45)4.4 方案比选 (46)4.5 本章小结 (46)总结 (48)参考文献 (49)致谢 (52)摘 要近年来，随着“物联网”概念的提出，无线传感器网路在各行业的应用进入了一个新的阶段。
基于ZigBee组网技术的油井信息采集
三种无线2.4GHz无线技术对比
三、ZigBee组网技术的应用
ZigBee组网方案
方案一：抽油机井分别用位移传感器、载荷传感器、电流传 感器、电量采集模块、油压传感器和套压传感器来采集油井 的位移、载荷、电流、电量、电压、油压和套压等油井数据
三、ZigBee组网技术的应用
各种传感器连接
ZigBee 模 块 作 为 终 端 节 点 ， 与 带 有 ZigBee 协 调 器 节 点 的 RTU 构成了 ZigBee 无线传感器 网络的星形网络。传感器采
的要求
• 电波覆盖范围较广，半径可达到100m左右
三、ZigBee组网技术的应用
ZigBee ，是一种短距离、低功耗的无线技
术，其协议简单实用，采用调频技术。 ZigBee 的物
理层和数据链路层是 IEEE802.15.4 标准，网络层以
上是 ZigBee 联盟定义的。相对于蓝牙， ZigBee 虽然
三、ZigBee组网技术的应用
Wi-Fi，是一种无线保真技术，目的是改善
基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性
• 厂商进入门槛较低，只需在场所设置热点，通过高
速线路接入互联网即可，不需网络布线，节省成本
• 数据安全性和传输质量虽然不比蓝牙，但传输速率
较快，可以达到11Mbps，很符合人们对高速率传输
集的油井数据信息通过
ZigBee 无线传输到 RTU ，然后 RTU 存储和处理这些数据，并
将它们通过 GPRS 方式传送到
数据中心服务器
星形网络
三、ZigBee组网技术的应用
ZigBee组网方案
方案一
星形网络
三、ZigBee组网技术的应用
方案二：增大 ZigBee 的 RF 发射功率，可将 ZigBee 节点的通信距离 增加到1-3km。这就可以在整个油田进行ZigBee组网方案研究。对 油田中有成百上千口抽油机井，我们可以将它们划分成区块，每 个区块有若干个抽油机井。这样每个区块之中就有很多个油井， 这些油井的RTU之间就形成了一层 ZigBee网络，而油井无线传感器 与RTU之间有一层ZigBee网络，它们就形成了ZigBee无线传感器网
基于ZigBee的油水井远程监控系统设计与实现
基于 ZigBee的油水井远程监控系统设计与实现摘要：随着计算机技术、网络技术和通信技术的不断进步，油井远程监控系统得到了极大的发展。
油田早期生产没有远程监测系统，人工监测费时费力，数据采集不及时。
随着工业自动化的发展，油田远程监控系统应运而生，使油田的生产和管理更加高效、可靠。
目前，现有的现场总线技术广泛应用于工业控制领域。
然而，油井可以分布在油田内，并分散在不同的位置。
如果数据通过电线传输，需要铺设很长的电缆，这是非常昂贵的，而且电缆容易老化和损坏。
为解决上述问题，油井远程监控系统采用无线通信技术进行数据传输。
ZigBee技术以其功耗低、成本低、可靠性高、网络容量大等特点，在众多无线通信技术中脱颖而出。
关键词：ZigBee；数据采集；基站；远程控制；一、系统总体功能1.实时采集油井的抽油机电机电流、电压、功率因数、有功功率、井口压力、温度、井口流量及电机工作状态参数，并在上位机上显示。
2.上位机控制现场抽油机的启停，既能提高油田的生产效率，又能节约能源，当监测到抽油机工作异常时可及时关闭抽油机，从而保证现场的生产安全，减少事故。
3.通过上位机可查询油井历史数据为实现油井远程监控系统的上述功能，设计系统的总体结构包括远端数据采集系统和上位机监控系统两部分。
二、系统硬件设计基站作为系统的基本组成单元，需具备数据采集能力和ZigBee组网通讯能力，采用JENNIC公司的JN5139芯片作为基站的射频芯片，JN5139是低功耗低成本适合于ZigBee应用的无线微控制器。
为满足油井监控的需要，每个基站都应可以接两台抽油机电机和9块仪表，其中，8路接输出模拟量的电表，1路接输出数字量的电表。
为提高基站的通用性，主、从基站采用相同的硬件结构。
JN5139本身包含4路模拟量输入，因此需将其中一路外扩为5路，从而实现8路模拟量采集。
此外扩展2路隔离数字量输入(保留使用)、2路继电器输出、一个RS485接口和一个RS232接口。
基于ZigBee的油田污染源数据采集传输系统开发
５０～３００ｍ 自动扩展
无
电池寿命 复杂性 峰值速率
传输媒介
数年 简单
２５０
数天 一般
４Ｍｂｐｓ
数天 复杂
１Ｍｂｐｓ
ＧＨｚ
Ｓ
数小时 非常复杂
１～１１Ｍｈｚ
２．４ＧＨｚ ３
ｓ
数天 复杂
３８．４
ｋｂｐｓ
ｋｂｐｓ
２．４ＧＨｚ红外线２．４
３０ｍｓ
０．８～ｌＧＨｚ
联网所需时间 终端设备费用 有无网络费用
数秒
１０
网状结构（Ｍｅｓｈ）和簇树结构（ＣｌｕｓｔｅｒＴｒｅｃ）， 如图１所示。不管在何种网络拓扑结构中根据 节点设备所具备功能不同，可分为完整功能设 备（ＦＦＤ）和简化功能设备（ＲＦＤ）。１个ＦＦＤ 可同时与多个ＲＦＤ或多个其他的ＦＦＤ通信， 而１个ＲＦＤ只能和１个ＦＦＤ进行通信。
摘要：针对油田污染源目前所采用的数据采集传输仪（以下简称数采仪）的可操作性和可维护性不 高的问题，提出将ＺｉｇＢｅｅ技术应用到数采仪中，可以大大提高该数采仪的可操作性和可维护性。主要 阐述了目前油田污染源所用数采仪的现状和ＺｉｇＢｅｅ技术的特点和优势，根据油田自身的特点，选取适 合油田的ＺｉｇＢｅｅ网络拓扑结构，对ＺｉｇＢｅｅ模块进行软硬件设计，最终实现油田污染源数据的采集与传 输，在一定程度上提高了油田污染源在线监测系统的自动化程度。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ技术；油田污染源；数据采集传输仪
Ｅ
３｜。
性和网络健壮性，因为他拥有备用的１条或多 条的路径传输数据，即使１条路径出现问题，网 络也能正常运行，同时各节点都对等，都有路由 能力，这样就造就了动态的路由拓扑。缺点是 路由模式不固定，瞬时网络连接质量决定了数 据传输的时间，网络更加复杂化，耗功也增 大了。 （３）树形结构实现了网络覆盖范围的扩大 和“多跳”功能。他继承了星型结构的简单性和
无线通信技术在数字化油田建设中的应用
无线通信技术在数字化油田建设中的应用发布时间：2022-10-31T02:04:53.567Z 来源：《科技新时代》2022年第12期6月作者：苏林峰党章莉王佳莉[导读] 随着经济的发展，各项生产活动对于能源的需求不断增大苏林峰党章莉王佳莉长庆油田分公司数字化与信息中心陕西省西安市摘要：随着经济的发展，各项生产活动对于能源的需求不断增大，传统的油田生产方式已经不能适应时代条件的变化，油田数字化建设进程不断加快，油田建设向着自动化、产业化发展，油田物联网建设将油田生产过程中的生产数据自动收集、控制、监控。
基于油田物联网建设的现状，需要选用合适的无线通信技术，建设全油田统一生产管理、综合研究的数字化管理平台，提升油田数字化生产水平。
关键词：数字化，油田建设，无线通信，应用前言油田数字化是目前油田生产管理活动主要发展趋势,在自动化的过程中,借助于计算机、信息技术以及各类仪表等,对油田产区内部各个油井、计量间、管汇阀组、转油站、联合站等系统装置进行检测、控制、管理。
通过技术手段,有效提升油田产量,增强油气资源开采质量,控制开采活动的损耗,确保整个油田开采活动的有序开展。
无线通信技术利用电磁波信号,通过中继站等硬件设备,实现了数据信息的高效传递,其在油田自动化技术体系中的应用,提升了整个系统的数据传输与交互能力,对于油田自动化技术体系的发展与应用活动而言是一种有益的补强。
1 无线通信技术在油田应用中的必要性国内多数油田处于高山、沙漠等气候环境相对恶劣地段，光缆不能顺利接进，公网信号不能覆盖。
一些油田开采作业以人工巡井、现场记录信息等传统方法为主，投入较大的人力资源；在恶劣的工作环境中，自然灾害与人为事故屡见不鲜，但监控中心却不能实时监控油田现场作业实况，对各种突发事件的应答处理速度迟缓。
最近几年中，国内大型油田陆续架设了自动化系统，有线通信技术得到较广泛应用，以GPRS、数传电台、McWiLL等为主，但其在运行速率、精度、时效性等方面体现出一定局限，已难以迎合石油行业生产、办公需求。
物联网无线仪表在油气田行业的应用
物联网无线仪表在油气田行业的应用摘要：油气田行业井场、计量间等站场数量众多，分布分散，使用有线仪表建设投资大。
随着物联网技术的发展，出现了低功耗、广覆盖、低成本的NB-IoT等物联网无线通信技术。
本文通过总结物联网无线通讯及工业无线通讯技术，分析油气田行业无线仪表的应用前景。
关键词：物联网无线仪表 NB-IoT引言无线仪表相比有线仪表，具有建设成本低、施工工期短、占地面积少的特点。
在油田产能项目具有广阔的应用前景。
传统工业控制行业的无线通讯标准，主要有艾默生主导的WirelessHART标准和霍尼韦尔主导的ISA100、以及我国自有知识产权的WIA-PA[1]。
传统物联网接入技术有近距离无线接入技术和移动蜂窝技术两种。
近距离无线接入技术以WiFi、ZigBee等为代表，具有稳定性高、接入速度快的优势，但覆盖范围有限，抗干扰能力弱，功耗较高，待机时间短的问题。
移动蜂窝技术以3G/4G技术为代表，由于成本高、待机时间短，无法与普通用户完全隔离等原因，未能够大面积推广应用。
针对于油气田行业无线仪表的技术要求是：低功耗、低带宽、长距离传输。
近年来出现的LPWA技术在低功耗、低成本、广覆盖、大容量问题上出现新的解决方案：出现了以Semtech公司为主导的LoRa技术和以华为主导的NB-IoT技术。
1.物联网无线通讯技术1.1NB-IoT技术NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带物联网通信技术，具备覆盖广、功耗低、带宽低、成本低等特点。
具体特点如下：1）覆盖广。
在同样的频段下，NB-IoT比现有的LTE和GPRS网络增加20dB，覆盖面积大，可穿透地下管阀井等之前其他无线网络难以覆盖的区域。
2）功耗低。
NB-IoT处理芯片复杂性低，并且采用不连续接收，终端可以在空闲模式下进行周期睡眠以降低耗电，延长电池使用时间。
但同时NB-IoT也具备终端时时在线的功能，通过减少不必要的信令来达到降低功耗的目的。
3）带宽低。
速率约为160kbps，该速率能够满足一般情况下油气田数据采集要求。
基于ZigBee技术的无线传感器网络在油田的应用研究
在苏里格７ 区块单井通信采用Ｍｃ Ｌ 无线通信系 ５ ＷｉＬ
统 ，在 １ 号集 气站７ ．ｂ ０４ 丛式 井组 ，由于大 沙丘遮 挡 ，
瓣
与基站通信效果 十分差 ，在与之相距不到５ ０ 的７ ａ ０米 ０４
（ 上接 ７ 页 ） ２
２２ ．电缆 与附件的配合 据调查 电气化铁路 的电缆击穿故障 中有的与电缆附 件有关。总的来讲有 以下几个方面 ： １ ）电缆附件质量 问题 。市场上 的电缆 附件质量参
三 、结束 语
随着２ ． Ｖ电缆在我国电气化工程 中的使用 日益增 ７ｋ ５ 多 ，从工程应用角度来 看对 电缆 电气及结构 方面的研究 对工程 中的应用具有指导意义 。从 国外电气 化铁路 以及
国内电力 系统 、城市轨道交通 系统的成功运行经验看 ， 电缆 本身可靠性是要高于架空导线的 。所以只有我们对
方式 。
Ｚｇ ｅ技术是一种低成本 ，低功耗 ，低 复杂度 的无 ｉ ｅ Ｂ
线技术 ，它是一组基 于ＩＥ ０ ． ． Ｅ Ｅ ８ ２１ ４ ５ 无线标准研制开发
的。全世界通用频段是２０ ．４ ３５ Ｚ ４ ０２ ８ ． ＭＨ 。
１ 术特 点 ： ． 技
（ ）基于ＺｉＢ ｅ 二 ｇ ｅ 技术 的无线 传感器 网络在 油 田
线网络（ 如光 纤 、Ｍｃ ｌ Ｗｉ网络 、公众 电信 网 、因特 网、 ｌ
油气 田生产 行业 特点 ：很多 油 田所 在地 区气候 环
境 恶劣 ，雪 、雾 、风沙等 自然现象较 为普遍 ，且气温波
动较大 ；很 多工 区尤其是天然气集气站一般地处偏远 ，
卫星 网络） 将数据送 至地面监控 中心 的管理 节点 ，用户
其提供的业 务进行监控 、管理和完成业务 的承载与合作 实施 ，并通过通信 网络扩展无线传感器 网络所提供 的业
ZigBee无线传感器网络技术在油田信息采集系统中的应用
５ Ｏ 米至 １ ０ ０ 米。 经测试， Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 节 点 间较 大数 据量 （ 功 图数 据 ， 约为 １ Ｋ Ｂ）的最 大 稳定 通 信距 离 在 ５ ０ 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
第２ ２卷 第 ５期
Ｖｏ １ ． ２ ２ ＮＯ ． ５
电 子 设 计 工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ４年 ３月
Ｍａ ２ ０１ ４
ｅ 无线传感器网络技术在油田信息采集系统中的应用
刘 佶 ，徐 群
（ 河 海 大学 江 苏 南京 ２ １ １ １ ０ ０ ） 摘要 ： 本文基 于Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 无 线 通 讯 组 网技 术 ， 以ｊ ｅ ｎ ｎ ｉ ｃ ５ １ ３ ９ 为控 制核 心 ， 构 建 了适 合 油 田信 息 采 集 的 无 线 传 感 器 网络 。 给 出 了传 感 器 节 点 与 中转 节 点 的硬 软 件 设 计 。提 出 了一 种 组 网灵 活 、成 本 低 、 维护 方便 的 解 决 方案 。 关 键 词 ：Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ ；油 田 自动化 ；无线 传感 器 网络 ；数据 采 集 中图分 类 号 ：Ｔ Ｎ ９ ２ ３ 文 献标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ６ ７ ４ — ６ ２ ３ ６ （ ２ Ｏ １ ４ ） Ｏ ５ — ０ １ ５ ７ — ０ ４
无线通信技术在油田自动化中的应用分析
无线通信技术在油田自动化中的应用分析近年来，无线通信技术作为一种热门的新型通信技术，广泛应用于各个行业当中。
其在油田自动化的应用中大幅提高了油田开采效率，拥有极高的应用前景。
基于此，本文以无线通信技术及油田自动化的相关介绍为切入点，接下来从两个方面讨论无线通信技术在油田自动化中的应用，以此供相关人士交流参考。
标签：无线通信技术;应用;油田自动化引言：近年来，信息技术快速发展的同时，无线通信技术也获得了大面积的推广。
无线通信技术在应用过程中主要分为卫星通信和微波通信两种通信类型，在一代代人的不懈努力当中，无线通信技术也日趋成熟。
而石油天然气的开采却随着时间的推移难度攀升，将无线通信技术应用于油田自动化管理中能大幅提高天然气石油的开采效率，因此，加深无线通信技术在油田自动化中的应用研究是当前油田开采的主要进攻方向。
一、无线通信技术的概述无线通信技术是一种新型的通信技术，其能在空间中利用电磁波信号自由传播交换信息，主要分为卫星通信和微波通信两种类型[1]。
微波通信是指建通过建立微波中继站，发出宽频率带满足远距离通信的一种通信技术;卫星通信技术则是以卫星为中继站，使多个地球地面点或移动体之间通过微波通信相关联。
此外，无线通信技术广泛应用于不易驾设线路，且地形复杂的地域，能弥补有线通信的许多不便之处。
现如今，信息技术快速发展的同时，无线通信技术也获得了大面积推广。
无线通信技术的优势有很多：无线通信网络的搭建十分便捷，甚至在没有物理线路的情况下，在相关信息接入口安装上无线传感器即可，此操作跨过了各种架设线路的难关。
最后扩展无线通信网络时，再进行无限传感设备的安装及参数设置。
无线网络的搭建，无需考虑环境和地形的影响，甚至在环境污染严重的地区也能频繁应用。
无线通信网络在应用时灵活性强，成本低，适应变通能力强，便捷性高。
此外，无线通信网络在应用过程中也存在一定的不足：例如实时性差，会影响通信效率，使信息的接收存在延时性、滞后性;供电性差，由于无线通信主要的供电是通过电池进行，所以更换电池时的短期缺电和不持续工作难以避免，从而导致通信的效率难以保证。
物联网在油田的应用
◆周志敏李明涛摘要：油井生产远程监控系统作为物联网领域的一门核心应用，对油井生产、管理有重要的作用。
本文旨在研究物联网在油田中的应用，从油井生产远程采集传输系统、远程管理系统以及远程控制系统这三个方面展开论述。
基于这三个系统的了解，方便对油田进行信息方面的有效分析和管理，掌握油井的生产状态，从而作出积极而有效的控制。
关键词：物联网；油田；生产监控；应用油井生产远程采集传输系统、远程管理系统以及远程控制系统这三个系统是生产油井远程监控系统中的分系统。
这一远程监控系统实现了生产基地在控制中心进行操作的油井生产、经营及管理模式。
通过控制室的远程监控，当发现油田问题时立即发送指令，如果远程系统并不能解决油田的问题，那么就只要一个油田的技术人员赶去现场解决。
伴随着科技和信息技术的快速发展，油井生产远程监控系统的运用越来越宽广，推动了油田的高质量生产和管理，不但减少了能源消耗，而且改善了生产条件，提高工作效率。
系统通过传感器，摄像，石油和天然气生产定期收集数据，通过移动终端发送数据让控制室进行分析和管理，以此把握油井生产的具体状况，从而实行必要的远程控制。
行传输的，也就是Zig Bee传输，这种传输方式将采集的数据传输到终端，再由终端将这些数据传递到油田生产基地的服务器上。
这种无线系统对任何类型的油田都可以得到较好的应用，它能够有效解决油田、天然气以及水生产中出现的采集数据问题，通过采集数据再进行传输，同时也能够解决油井生产中其他的工作问题。
在油井生产中通过远程进行实时监测，不仅降低了油井生产和管理的成本，提高能源的使用率以及油田生产的效率，而且还有效防止破坏、盗窃等行为，以此确保油田生产的安全。
该系统具有的优点，能够监测参数多油和水的环境，并实现无线数据传输系统。
该系统的安装和维护都很简单，使用较便捷，系统功能较齐全，操作较安全。
3.丛式井系统只有具备丛式井或者其距离不超过500m的井组，才可适用于丛式井系统。
微功耗ZigBee在油田无线组网中的应用
微功耗ZigBee在油田无线组网中的应用孟开元;侯贵双;曹庆年;陈晨【摘要】在介绍Zigbee技术的基础上,针对传统无线网络GPRS/CDMA+RTU的数据采集和组网方案存在成本高、功耗大等不足,提出了一种近距离的自组网方法,结合GPRS和ZigBee/XBEE的特点实现了系统的优化.【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(026)003【总页数】3页(P104-106)【关键词】微功耗;无线通信;ZigBee/XBEE;无线组网【作者】孟开元;侯贵双;曹庆年;陈晨【作者单位】西安石油大学计算机学院,陕西西安710065;西安石油大学计算机学院,陕西西安710065;西安石油大学计算机学院,陕西西安710065;西安石油大学计算机学院,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN925+.93;TE319由于能源危机、新老系统的升级、扩展、兼容和更替等诸多因素的存在，在应用远端测控单元(RTU，Remote Terminal Unit)和数据采集单元(DAU，Data Acquisition Unit)的各种行业中，对系统的架构以及合理配置和优化，微功耗RTU与DAU应用系统的合理设计和研究日趋显得突出.在油田等行业中存在着很多设备和系统实时性、适应性差，维护困难，技术和效率低下，能耗大，组成结构不合理，在偏远地区，由于移动信号盲点多，如果采用传统的方法，对每一个采集点都采用GPRS/CDMA+ RTU的数据采集方案，GPRS网络工作在虚拟串口的查询访问方式下，会造成数据传输不稳定的隐患，数据不能及时准确地送到监控中心或工作站，影响油井的动态分析和日常管理，降低了工作效率，增加了不必要的成本.因此构建一个能耗低，性价比高，实时性和适应性好结构合理的混合网络势在必行.1 Zigbee简介Zigbee是基于网络底层802.15.4的短距离数据通讯网络协议，属于LR－WPAN 范畴.Zigbee是一种近程无线通信技术，可通过网关等设备与以太网/GPRS网络实现无缝连接，实现低成本远程监控等应用，其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本.1.1 Zigbee的主要特性(1)功耗低，低速率.Zigbee技术采用了多种节电的工作模式.对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况，电池的寿命可以超过10年.Zigbee支持250 kbit/s、40 kbit/s和20 kbit/s三种速率，从能量消耗、成本和效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择.(2)自动组网，网络容量大时延短.Zigbee设备可以按3方式工作，分别为个域网协调器、路由器和终端设备，其中一个是主控设备，其余为从设备.若通过网络协调器，整个网络可容纳多达64 000个Zigbee网络节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯.Zigbee自动组网和自愈功能，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络，节点位置发生变动，节点发生故障时网络能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应调整，保证整个系统正常工作.Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms.相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s.(3)成本低、可靠性好、安全性高.Zigbee具有可靠的发送接收握手机制且采用了AES－128的对称密钥，可靠地保证了数据发送接收的安全性.Zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突;在成本上，由于Zigbee模块工作于2.4G全球免费频段，故只需要先期的模块费用，无需支付持续使用费用.表1对ZigBee与部分近距离无线技术的简单比较.表1 ZigBee与部分近距离无线技术的简单比较Tab.1 The comparison of ZigBee with a part of short-distance wireless technologies技术类型应用领域系统资源终端功耗网络规格带宽传输距离技术优势GPRSCDMA 语音、数据 16MB+ 较高无限制 14.4 kbit/s以上无限制范围大，(802.16) 无线城域网高大可达1G 几十千米覆盖范围大，宽带，成本低质量保障WIMAX WIFI(802.11) WEB/MEDIA 1MB+ 较高较小 11 Mbit/s以上几百米至几千米速度，灵活蓝牙(802.15.1) 电缆代替品 250 kB+ 较高点对点 720 kbit/s 小于10 m 价格低，方便(802.15.4) 监控 4～32 kB+ 低 64000点 250 kbit/s 几百米至几千米可靠，低功耗，ZigBee灵活1.2 Zigbee的网络拓扑结构与OSI模型Zigbee支持3种通信设备的网络拓扑，即Star、Mesh和Cluster Tree.网络拓扑结构与OSI模型如图1和图2所示.其中，Star网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络;Mesh网络是一种高可靠性检测网络，通过无线网络连接可提供多个数据通信通道，有一个高级别的冗余性，一旦设备数据通信发生故障，则存在另一个路径可供数据通信;Cluster Tree网络是Star/Mesh的混合型拓扑结构，结合了上述2种拓扑结构的优点.ZigBee支持对等通信与星型配置，在802.15.4规范之上添加了路由协议与层级网络寻址方案，可实现群集树拓扑结构(具有相同PAN ID)以及多跳网状网络拓扑.与802.15.4相比，ZigBee可向上实施至OSI无线应用网络模型的传输层，甚至能够达到部分会话层.［1］图1 ZigBee的网络配置Fig.1 The network configuration of ZigBee2 系统设计本着降低功耗和成本的原则，监控系统主要监测分散管网站点.该系统采用三级控制，第一级为系统中心控制室;第二级为RTU，RTU作为远端测控单元，集成了GPS模块和ZigBee/XBee模块，在网络中除了通常的数据处理外还充当电台、路由器或协调器的作用;第三级为数据采集站点DAU，主要由微功耗处理器MSP430、ZigBee/XBee模块及其外围电路组成.中心控制室负责监视、管理和控制等工作.RTU负责收集多个数据采集站点采集到的数据，并通过无线GPRS网络上传给中心控制室.DAU负责采集各个供热管网或油田分布站点的数据，并把采集到的数据实时地上传给RTU.中心控制室与RTU之间采用GPRS无线通信方式，RTU和DAU之间通过Xbee进行无线通信，以实现对现场进行控制，实现对数据的采集、传输、处理和应用一体化.图2 优化的网络系统拓扑图Fig.2 The topological graph of optimized network system3 低功耗设计3.1 系统方法根据系统设计阶段的不同，数字系统的低功耗设计方法可以分成若干层次.按照抽象层次的不同，可以分为:系统级(System)、结构级(Architecture)、寄存器传输级(Register Transfer)、逻辑门级(Gate/ Logic)、板图级(Layout)和电路级(Circuit).每个级别可以达到的低功耗设计效果也完全不同，抽象层次越高表明在数字系统的设计中低功耗考虑得越早，因此在较高抽象层次采用的低功耗设计策略效果越明显.不同抽象层次功耗优化的概率见图3［2］.图3 不同抽象层次功耗优化的概率Fig.3 The optimized probability of thepower loss of different abstract levels3.2 软件硬件方法在硬件设计时，系统的方法仍然是有效的，但是所用的方法会更具体一些，如通过降低电压和频率就是常用的方法之一.通常，降低电压可以有效地降低电路消耗的能量，当电压从5.0 V降到3.3 V，下降44%时，可以导致功耗降低56%，所以很多处理器和通用芯片都有工作在较低电压的低功耗版本［3］.软件控制着如何使用系统设备.低功耗硬件技术发挥效能依赖于系统上执行的软件.嵌入式系统的功耗主要来自微处理器的功耗与外围部件的功耗.虽然能量的消耗最终发生在底层硬件，但是微处理器的功耗很大程度上取决于其所执行的软件.因此，对嵌入式系统的功耗分析越来越多地转移到软件的角度上来，将能量的消耗过程视作软件执行过程.过程见图4.图4 系统级动态功耗优化管理技术Fig.4 The optimal management technique of the dymatic power loss of system level3.3 低功耗的路由算法在ZigBee路由规范中没有过多的考虑能量控制，ZigBee网络采用低功耗路由协议，采用能量控制策略来改进ZigBee路由可以使节点避免用尽所有能量以至于过早的失去作用.当节点想要选择路径时，它将考虑路径上的节点的剩余能量.ZigBee 网络主要支持AODVjr算法和Cluste-Tree簇树路由算法.在路由发现过程中由于RREQ分组大量洪泛，从而导致大量的额外能量消耗，使网络总体耗能过大.尽可能地降低RREQ分组开销，是降低网络整体耗能的途径之一.在路由发现过程中采用AODVjr和Cluste-Tree算法相结合的方法，根据Cluste-Tree算法的特点对AODVjr中RREQ分组的传输范围和大致方向进行控制，从而减少网络控制开销，节约网络总体耗能［3-4］.4 结束语提出了一种近距离的无线低功耗混合组网方法，结合GPRS和ZigBee/XBEE的特点实现了系统的优化.系统采用了微功耗的模式，数据采集站点只需要很少的耗能，适合电池长期供电.在整个系统中，RTU与数据采集器、GPRS和ZigBee/XBEE结合使用，实现了多种场合的仪表数据采集及远距离的数据采集、通信和监控.参考文献:［1］瞿雷.ZigBee技术及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.QU Lei.ZigBee technologies＆applications［M］.Beijing: Beihang University Publishing Company，2007.［2］杨波.低功耗微处理器体系结构研究与设计［D］西安:西北工业大学，2002:18-61.YANG Bo.Study＆design of microprocessor architecture in low power ［D］.Xi＇an:Northwestern Polytechnical University，2002:18-61.［3］徐永军.集成电路功耗估计及低功耗设计［D］.北京:中国科学院计算技术研究所，2006:13-112.XU Yong-jun.Estimation＆design of low power for integrated circuits ［D］.Beijing:Institute of Computing Technology Chinese Academy of Sciences，2006:13-112.［4］班艳丽，柴乔林，王芳.改进的ZigBee网络路由算法［J］.计算机工程与应用，2009，45(5):95-97，116.BAN Yan-li，CHAI Qiao-lin，WANG Fang.Improved routing algorithm for ZigBee networks［J］.Computer Engineering and Applications，2009，45(5):95-97，116.［5］孟开元，王琦珑，曹庆年.Zigbee协议在抽油机监控系统中的应用［J］.西安石油大学学报:自然科学版，2009，24(3):56-58，62.MENG Kai-yuan，WANG Qi-long，CAO Qing-nian.Application of ZigBee protocol in the monitor system of well pum ping units［J］.Journal of Xi＇an Shiyou University: Natural Science Edition，2009，24(3):56-58，62.。
基于ZigBee和GPRS的油井远程监控系统
基于ZigBee和GPRS的油井远程监控系统张根宝;王晓辉;邓力恺【摘要】针对现在落后的油井监管方式，设计出一种基于ZigBee和GPRS的油井远程监控系统。
该系统主要包括数据采集前端、主控模块和监控后台3个部分，主控模块采用功能强大的MK60 DN512微处理器作为硬件电路的设计核心，它通过GPRS技术与监控后台交换数据，而对于GPRS不能覆盖的区域，选择ZigBee 技术作为数据传输的辅助手段。
%In this paper, remote monitoring system of oil wells was designed based on ZigBee and GPRS, in order to resolve the backward way of oil well regulated. The system mainly includes three parts: date acquisition, control module and background monitor. The control module choose the MK60DN512 microprocessor as the core of the hardware circuit design. The data transmission between the control module and background monitor was based on the mature GPRS technology. For the area that GPRS can’t covered over, the system chosen ZigBee technology as an auxiliary means of data transmis-sion.【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】3页(P35-37)【关键词】油井;GPRS技术;ZigBee技术;远程监控【作者】张根宝;王晓辉;邓力恺【作者单位】陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021;陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021【正文语种】中文【中图分类】TP23传统的油井生产管理方式采用人工巡检。
基于ZigBee的传感器网络在石化工业中的应用探讨
－ 409 －
手机)上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、 形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小
连接方便、简单易用成本低廉的特点。IrDA 用于工业网络上 的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。目前，由这几个
的最大问题在于只能在两台设备之间连接，实际上是一种无 公司为骨干的 ZigBee 联盟已经有 33 个成员，其中涵盖了半导
等 ，这 些 环 境 只 有 采 用 无 线 通 信 方 式 才 是 解 决 问 题 的 优 化 方 案 。 这 样 ，可 以 使 得 控 制 中 心 的 安 装 、维 护 管 理 更 为 简 单 ，生 产 控 制 系 统 更 为 稳 定 ，从 而 达 到 提 高 石 油 化 工 产 品 的 生 产 效 率和安全性。
随 着 无 线 网 络 技 术 的 发 展 ，以 无 线 局 域 网 和 蓝 牙 为 代 表 的 短 距 离 无 线 通 信 技 术 日 益 受 到 人 们 的 普 遍 关 注 。 目 前 ，短 距离无线通信技术主要包括红外 (IrDA)、WLAN(IEEE802.11)、 蓝牙(Bluetooth)、ZigBee 和超宽带(ultra wideband)无线等，这些 技 术 各 有 其 特 点 和 应 用 市 场 定 位[1]。本文 对 上述 几 种技 术 进行 了简单比较；详细介绍了 ZigBee 技术内容和特点；提出了系统 框图和实现方案；对所提方案进行测试和显示控制程序结果。