Zigbee在油田远程监控系统中的应用

・计算机应用・Z igbee 在油田远程监控系统中的应用冯　潇　刘秋丽(北京理工大学信息科学与技术学院　北京)摘 要:Z igbee (IEEE802.15.4)是一种新型双向无线通信技术,主要适用于自动控制、传感、监控和远程控制领域。

将其应用在油田可实现油田生产管理和油井、管线维护监控的信息化、自动化,并可以解决由于使用G SM/CDMA 移动通信基站系统而带来的建设费用昂贵及存在盲区的问题。

文章在介绍Z igbee 技术的基础上,对其在采油厂的无线网络的架构进行了设计。

关键词:Z igbee ;无线网络;远程监控系统;油田中图法分类号:TP393 文献标识码:B 文章编号:100429134(2006)05200682030　引　言远程监控系统主要用于完成远程现场点的数据采集、处理、实时监控等功能。

随着计算机、网络与无线通信技术的高速发展和广泛应用,人们开始将无线网络技术与传感器技术相结合,应用到远程监控系统中,用以解决因现场数据采集点所处环境偏远恶劣、地势复杂,铺设固定通信线路成本过高的问题,油田通常就处于这样的恶劣环境中。

实践中,通常选用现有的移动通信系统(GSM/CDMA )来进行现场采集点与主控室间的无线数据连接。

然而,由于移动通信系统本身的特点,可能会出现如下问题:由于移动通信基站系统建设费用昂贵,它只能覆盖在用户较集中的地方,例如城市,工矿密集点等。

因而,许多偏僻、人烟稀少、但又需要进行监控的水利、电力、油田矿山等地区则无法覆盖到。

如何解决这些盲点与现有移动网络的通信,是一个紧迫的问题,特别是盲区成片时,如果使用点对点的方式来与现有移动网络相连,则每一个盲点,都需要一对无线收发设备才能与移动网络相连,这不仅将极大增加系统设备安装费用,同时也将增加系统的运营维修费用。

Zigbee 正是为满足这方面的要求应运而生的。

在现有移动通信网络覆盖不到的盲区,可以组建一个Zigbee 网络。

由于Zigbee 系统自成一个网络,在其内的数据传输无需交纳任何网络使用费,可以节约成本;且其具有可大可小并可以“无限扩展”的性质,我们可以用这个Zigbee 网络来覆盖整个盲区,并选择在任意一个或几个点上接入现有的移动通信网络。

由于Zig 2bee 具有上述灵活的特点,它在水利、电力、油田矿山监控中必将有广阔的发展前景。

1　Zigbee 技术简介Zigbee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络传输技术,是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求应运而生的,是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。

Zigbee 的基础是IEEE 802.15.4,主要用于近距离无线连接。

Zigbee 是一个由多达65000个无线传输模块组成的无线传输网络平台,类似于现有的CDMA 网或GSM 网,每一个Zigbee 网络传输模块类似于移动网络的一个基站。

所不同的是Zigbee 网络主要是为自动化控制数据传输而建立,而移动通信网络主要是为语音通信而建立。

在整个Zigbee 网络范围内,无线传输模块(网络节点)之间可进行相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m ,到扩展后的几百米,甚至几公里。

另外,整个Zigbee 网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

Zigbee 网络节点按功能可分为:FFD (Full Func 2tional Device ,FFD 全功能设备)和RFD (Reduced Func 2tional Device ,RFD 简化功能设备)[1]。

其中,FFD 自身可以与监控对象,例如与传感器连接直接进行数据采集和监控,还可自动中转其它网络节点传送的数　第一作者简介:冯　潇,女,1982年生,北京理工大学信息科学技术学院电子工程系硕士研究生。

主要研究方向为无线通信、嵌入式应用。

邮编:100081・86・ 石　油　仪　器PETROLEUM INSTRUMENTS 2006年10月　据。

除此之外,每一个Zigbee 的FFD 网络节点还可在其信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立RFD 子节点进行无线连接,构架成多种拓扑结构网络,如星型(star )、簇树型(cluster tree )或网格型(mesh )网络[2]。

在Zigbee 网络中,FFD 可被应用为Zigbee 协调者(Zigbee coordinator ZC )和Zigbee 路由器(Zigbee Router ZR )。

ZC 担当选择信道和网络路由的角色,且在每个Zigbee 网络中只能有一个ZC ;ZR 负责传送或转发连接在其上的Zigbee 终端设备(Zigbee End Device ZED )数据。

RFD 只能被应用作为ZED 。

每个Zigbee 网络节点(FFD 和RFD )可以支持多到31个的传感器和受控设备,每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式。

可以采集和传输数字量和模拟量。

非常适用于工业控制领域。

Zigbee 技术主要有以下特点[3]:1)数据传输速率低:只有10kByte/s ～250K Byte/s ,专注于低速传输应用;2)功耗低:在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的问题;3)成本低:因为Zigbee 数据传输速率低,协议简单,无需网络运营费用;4)网络容量大;5)时延短:通常时延在15ms ～30ms 之间;6)安全:Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES -128加密算法,同时可以灵活确定其安全属性;7)工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz 、868MHz (欧洲)及915MHz (美国);2　系统设计2.1　系统设计目标该监控系统设计的主要目标是及时掌握整个采油场内各种设施的工作状态及采出油品的数据(包括温度、压力、流量等),并对它们进行科学的分析,及时地将生产调度指令反馈到生产第一线。

运用Zigbee 技术组成无线传感器网络,实现油田生产管理和油井、管线维护监控的信息化、自动化,旨在使石油企业增加产量,减少停机时间,从而达到提高工作效率和经济效益的目的,而且极大地改善了工人的工作条件。

2.2　系统实现的功能及Zigbee 无线网络的架构基于Zigbee 的油田远程测控系统采用集散式控制结构,通过Zigbee 移动通讯信道,监测抽油机载荷、电潜泵井及螺杆泵井电机电流、功率因数以及井口压力、井口温度、井底流压、井底温度等参数,经过计算机处理和分析,在中心控制室就能迅速准确掌握油田管理局辖区内各种油井的工作状况,及时发现隐患,遥控启停抽油设备。

同时可以采集存储所有监测数据,通过一Zigbee 网络出口与GPRS 移动网络相连,将所有信息传至油田数据管理中心。

这里将着重探讨Zigbee 技术在此油田远程测控系统的无线网络架构中的应用。

系统无线网络结构如图1所示。

图1　油田远程无线监控网络构架图中现场采集点收集油田中各个分采油场中的数据,为降低功耗可只在现场采集点各处使用Zigbee 系统中的RFD (简化功能设备)子节点,RFD 通过Zigbee 无线网络将数据以帧的形式传送给FFD (全功能设备)节点,此FFD 作为油田网络与现有的GPRS 通信网络的接口,将收集到的各个RFD 数据传送到GPRS 网络,最终将数据传送到远程的主控室PC ,主控室对数据进行分析和处理后再将反馈信息传送回现场,从而实现了监控的信息化、自动化与实时性。

此方案可以很好地解决采集点处在盲区的问题。

可通过Zigbee 无线网络将那些处于盲区中的采集点数据传送到一个FFD ,此FFD 处在GPRS 通信网络可以覆盖到的区域。

使用这种方法可免去在每个处于盲区中的采集点与无线网关间架设通信基站,节约了成本。

此网络结构还可以进行扩展。

2.3　Zigbee 网络通信协议帧结构IEEE 802.15.4规定Zigbee 协议的帧结构由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成[4],其格式如图2所示。

图2　Zigbee 协议的帧结构・96・　2006年　第20卷　第5期 冯　潇等:Z igbee 在油田远程监控系统中的应用 “数据模式”、“目的地址”、“数据长度”各占用一个字节。

其中,“目的地址”表示此帧要发送的目的位置,即网络节点号;“数据长度”表示该帧中数据信息的长度;“数据信息”表示要传送的命令或有效数据,它所占用的字节数由所发送的数据长度决定;“校验和”也占用一个字节。

油田远程无线监控系统的通信协议帧结构是建立在IEEE 802.15.4规定的Zigbee 协议的基础之上的,我们仅对其中的“数据信息”字段部分进行设计。

将“数据信息”字段划分为“节点信息”、“功能编码”、“数据”三部分,如图3所示。

图3　油田远程无线监控系统中数据信息字段组成“节点信息”字段数据长度为1字节,其中低四位为RFD 节点号,高四位为FFD 节点号。

根据高四位将数据帧发送到相应的FFD ,FFD 再通过低四位编码将图4　“节点信息”字段组成数据帧发送到对应的RFD ,即对应的现场采集点,其格式如图4所示。

功能编码字段分为两部分内容:方向位、功能类型。

本系统功能可分为上行和下行,方向位即决定了这一点。

功能类型可以区分图5　“功能编码”字段组成传输的是采集到的哪类数据,其格式如图5所示。

数据字段存放采集到的数据,其长度根据功能的不同而有所不同。

3　结束语利用Zigbee 无线组网技术来实现油田远程无线监控系统,从而实现油田生产管理和油井、管线维护监控的信息化、自动化,可极大地提高工作效率并降低网络组建和运行的成本。

Zigbee 技术在油田等工业自动化领域必将有广阔的发展前景。

参考文献[1]　盛超华,陈章龙.无线传感器网络及应用[J ].微型电脑应用,2005,21(6)[2]　Z igbee alliance network layer overview.Z igbee open houseChicago ;September 142005[3]　原　羿,苏鸿根.基于Z igBee 技术的无线网络应用研究[J ].计算机应用与软件,2004,21(6)[4]　IEEE Standard for information technology —802.15.4,TheInstitute of Electrical and Electronics Engineers ,Inc ,1Oc 2tober 2003(收稿日期:2006-01-20　编辑:姜　婷)本刊加入“万方数据”———数字化期刊群的声明为了实现科技期刊编辑、出版发行工作的电子化,推进科技信息交流的网络化进程,我刊现已入网“万方数据———数字化期刊群”,所以,向本刊投稿并录用的稿件文章,将一律由编辑部统一纳入“万方数据———数字化期刊群”,进入因特网提供信息服务。