无线传感器网络技术综合录井中的应用和研究

无线传感器网络技术综合录井中的研究

摘要：现阶段,石油资源由于持续不断的开采和破坏,其储量逐渐减小,面临枯竭的地步。面对目前的情况,如何提高石油开采效率、降低开采成本、减少事故发生等问题逐渐得

到了相关部门的重视。在石油开采过程中,石油设备显得十分重要,精密的仪器能够帮

助施工人员准确把握工程状态,提高效率,减少事故。综合录井仪作为石油勘探开发的

重要手段越来越得到人们的关注。综合录井仪的数据采集一般采用集中式或现场总线式

布线,由于井场环境复杂,加之布线工作量大且繁琐,因而实现采集系统的无线化应是一个

发展方向。本文在研究无线传感器网络技术的基础上,提出了综合录井数据采集系统的

无线化设计思想,以解决施工现场由于布线施工带来的不足。无线传感器网络技术成本

相对很低且无需布线,己经被很多领域采用并得到了很好的效果,像工业控制、信号采

集、水文气象监控、中小型无线网络等。

一、无线传感器网络研究背景以及发展现状

1.1无线传感器网络国外发展现状

1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。1998年，同是UCLA大学的Gregory J Pottie教授从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。美国商业周刊将WSN网络列为21世纪最有影响的技术之一，麻省理工学院(MIT)技术评论则将其列为改变世界的10大技术之一。

1.2无线传感器网络国内发展现状

2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。截至2008年底，中国国家自然基金共支持面上项目111项、重点项目3项；国家“863”重点项目发展计划共支持面上项目30余项，国家重点基础研究发展计划“973”也设立2项与传感器网络直接相关的项目；国家发改委中国下一代互联网工程项目(CNGI)也对传感器网络项目进行了连续资助。“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关。最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专

门针对传感器网络技术而设立的。该专项的设立将大大推进WSN网络技术在应用领域的快速发展。

二、无线传感器网络

2.1 无线传感器网络的体系结构

2.1.1无线传感器网络的网络结构

无线传感器网络中数以千计的传感器节点由飞机播撒、人工布置等多种方式

被散布到监测区域内，节点相互之间以自组织的方式构成庞大的无线传感器网

络。各节点之间通过协同去冗余的工作方式负责监测区域内的数据采集任务,然

后采用多跳、中继等方式将信息传送到汇聚节点处,再由汇聚节点将信息集中传

送至用户,以进行数据处理或对节点进行实时的控制或操作。

由于无线传感器网所处环境的影响,节点一般都是采用能量有限的电池进行供电,所以其数据存储和处理能力以及通信能力就会受到制约。从整个网络来看,每个传感器节点都具有网络节点和路由的双重“身份”,除了能完成数据采集和处理任务外,还能够将其他节点转发过来的数据信息进行存储、融合等处理。汇聚节点相对来说其对数据的存储和处理能力以及通信能力都要强于传感器节点,它是连接传感器网络与外部网络以及实现两种通信协议转换的桥梁。汇聚节点是一个全功能的节点,它具有足够的能量和存储空间进行数据的处理

2.1.2无限网络节点的构造

无线传感器节点的基本组成包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个基本单元。数据采集模块通过各种传感器对监测区域内的数据进行采集;数据处理模块负责对采集到的数据进行存储、转发和对传感器各种功能实现的控制等;通信模块负责节点之间的数据交换;能量模块负责对传感器节点进行能量供应。这是无线传感器节点最基本的结构,当然根据需要还会有其他扩展的功能模块，如GPS定位模块等。

2.1.3常用无线传感器网络

由于本论文是研究井场短距离信息采集及传输技术,所以选择了几种目前流行的短距离无线通信技术加以比较。当前,工业领域上短距离无线通信技术主要应用的有:红外线数据传输(IrDA)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带无线电(UWD)、ZigBee和无线局域网802.11b(Wi-Fi)等。这些技术各有其特点,但是否都适合应用于环境复杂的油田现场,现做以下分析:

红外线数据传输(IrDA)是利用红外线作为信息载体传输的一种通信技术,红外线外线属于光波范畴,受其他信号干扰很小,而且无需申请频率的使用权,因而其通信成本低廉。但红外线数据传输的最大缺点就是两个相互通信设备之间的传输距离要求在4米以内,并且发射与接收设备所处的角度必须在正负巧度之间,中间也不能有阻隔,因而该技术只能用于2台近距离设备之间的信息传输。井场上的环境复杂多变,设备位置、距离都不确定,而且传输距离在4米之内并不现实,所以采用红外线数据传输搭建无线传感器网络是不理想的。

蓝牙(Bluetooth)一种无线技术,具有低成本高速率的特点。蓝牙的使用

和维护成本很低。其工作频率为2.4GHz,有效范围大约在10m半径内。蓝牙(Binetooth)的传输速率高,耗能大,进而导致电源供电是个很难解决的问题,井场的单次数据采集量很小,所以蓝牙也被排除在外。

WIFi(WirelessFidelity),无线高保真)也是现阶段盛行的一种无线通信技

术。它的工作频率也是2.4GHZ,速率最高可达nMb/s,在电波的覆盖范围方面可达loom左右。但它的成本过高以及传输速率高也无法适应在井场。

超宽带技术UWB(UltraWideband)是以基带脉冲作用于天线的方式来进行数据传

输的无线通信技术。与传统通信技术不同的是,UWB是一种无载波通信技术,是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。UWB所使用的频率范围是介于3.IGHz和10.6GHz之间的7.SGHz的带宽频率。UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100Mb/s)的LAN:或PANsls。由于现今uWB的应用并不是很多,同时井场的数据传输并不需要如此高的传输速率,因此UWB也不考虑。

ZigBee技术则会很大程度上降低设备的复杂度、功耗以及设备成本。ZigBee技术与蓝牙使用同样的频段,基本速率是250kb/s,当速率降低到28kb/s时,可将传输范围扩大到134m,此外还可以根据实际情况添加中继设备延长传输距离以满足实际应用的需要。另外zigBee网络可以与多个节点联网,确保信息采集的无重复和完整性的需求。同时也由于ZigBee技术的低速率、网络范围大、网络容量大、功耗小等特点,使其能够在油田施工现场搭建无线传感器网络成为可能。但是,油田中产生的各种干扰也同样是它待解决的问题,如果能够在井场克服干扰,将会使zigBee技术在油田现场具有更强的生命力。

三、综合录井无线系统功能分析以及结构框架

综合录井仪是录井技术应用的一个重要方面,是获取钻井过程中各种工程参数的重要手段,目前国内外相关行业都在致力于综合录井仪的设计与研发。综合录井仪采用的是一种分散式的结构,由传感器、计算机与相应的接口组成。在传统的施工作业中往往采用铺设大量线缆的方式进行设备间互联和信息交流,这种方式往往增加了设备的成本,同时也不利于现场的施工。