Zigbee在油田远程监控系统中的应用
ZigBee技术在油田远程智能监控系统中的应用
Ａｂｓｌ ｔ Ｔｈ ｇ ｅ—ｂ ｓ ｄ ｗｉｅｅ ｓｓ ｎ ｏ ｅｗｏｋ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｉｔ ｈ ｎ ｅｌｇ ｎ ｎ ｔｒｎ ｔ ｃ ： ｅ ＺｉＢｅ ａ ｅ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｓｉ ｔｏ ｕ ｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｉ ｔｌｉｅ ｔｍｏ ｉｏ ｇ— ｉ ｃ ｎｒ ｌｓ ｓｅ ｕ ｅ ｎ ａ ｉ ｆｅｄ ｉ ｒ ｅ ｏ ｓ ｖ ｏ ｒ ｂｅ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｓ ｄ ｉ ｎ ｏ ｌｉ ｌ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｏ ｅ ｓ ｍｅ ｐ ｏ ｌｍｓ，ｕ ｈ ａ ｏ ｌｘ ｅ ｕ ｐ ｎ ｎ ｆｉ ｓ ｃ ｓｃ ｍｐ ｅ ｑ ｉ ｍｅ ｔａ ｄ ｄｉ — ｃ ｌ ｍａ ｎｅ ａ ｃ ． ｉ ｅ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ａ ｒ ｖｄ ｎ ｉ ｆｅｄ ｗｉ ｄ ａ ｃ ｄ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔａ ｄ ｃ ｎｒ ｌ ｕｔ ｉ ｔｎ ｎ ｅ Ｔｈ ｓｎ ｗ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｃ ｎ ｐ ｏ ｉ ｅ ａ ｙ ｏｌｉ ｌ ｔ ａ ｖ ｎ ｅ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｏ ｔｏ ｈ ｔ ｃ ｎｉｕ ｓｉ ｅ ｔ ｒ ｓ ｏ ｏ ｐ ｗｅ ｏ ｓ ｍｐｉ ｎ，ｏ ｃ ｓ ｎ ｉ ｌ ｉｔ ｎ ｎｃ ．Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ａｓ ｅ ｅ ｈ ｑ ｅ ｎ ｆａ ｕ ｅ ｆ ｌｗ ｏ ｒ ｃ ｎ ｕ ｔ ｏ ｌ ｗ ｏ ｔ ａ ｄ ｓｍｐ ｅ ｍａｎ ｅ ａ ｅ ｈ ａ ｅ ｌｏ ｄ — ｓ ｒｂ ｓ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｓｒ ｃｕ ｅ，ｈ ｒｃ ｄ ｒ ｆｔｅ ｎ ｔｓ ｔ—ｕ ｎ ｎ ｏ ｍａ ｉｎ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ． ｃ ｅ ｈ ｙ ｔｍ ｔｕ ｔ ｒ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｕ ｅ ｏ ｈ ｅ ｅ ｉ ｐ ａ ｄ ｉ ｆｒ ｔ ｒ ｃ ｓｉ ｇ ｏ
感器 网络 应 用 于油 田各项指 标 的测量及控 制 ， 有低 功耗 、 成 本 、 具 低 系统 维 护 简单 的特 点 。该 文 简
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。
Zigbee在油田远程监控系统中的应用
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“ 限扩展 ” 无 的性质 ， 我们 可
第一作者简介 ： 冯
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
潇 ， １８ 年生， 女，９ ２ 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
１ Ｚｇ ｅ ｉｂｅ技术简介
Ｚｇｅ 是一种新兴的短距离 、 ｉ ｅ ｂ 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。Ｚｇｅ 的基础是 ＩＥ ０ ．５ ｉ ｅ ｂ Ｅ Ｅ８ ２ １ ．
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石
油
仪
器
２０ 年 １ ０６ Ｏ月
Ｐ ｒ Ｏ正Ｕ Ｎ Ｔ Ｕ Ｎ Ｓ Ｅ Ｒ Ｉ Ｍ Ｉ Ｓ Ｒ ＭＥ Ｔ
・
计 算机应用 ・
Ｚｇｅ 在油 田远程监控 系统 中的应用 ｉ ｅ ｂ
冯 潇 刘秋丽
（ 北京理工大学信 息科学与技术学 院 北京 ）
１ｏ １ Ｏ ｏ８
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２０ ０６年 第 ２ ０卷
第 ５期
冯
潇等 ：ｉ ｅ Ｚｇ ｅ在油 田远程监 控系统 中的应用 ｂ
据。除此之外 ， 每一个 Ｚｇｅ 的 Ｆ Ｄ网络节点还可在 ｉ ｅ ｂ Ｆ
２２ 系统 实现 的功 能及 Ｚｇ ｅ ． ｉｂｅ无线 网络 的 架构
需要 进行监控 的水利 、 电力 、 田矿 山等地 区则无 法覆 油
Ｚｇｅ 是一个 由多达 ６ ０ 个无线传输模 块组 ｉ ｅ ｂ ５００ 成的无 线传输 网络平 台， 类似于现 有 的 Ｃ Ｍ Ｄ Ａ网或
基于Zigbee技术在远程监控系统中应用
２远 程 监 控系 统 设计 １ ． １ Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 技 术介 绍 ２ ． １系统设 计 目标 Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 是种新型双 向短距离 、 低速率 传输的无线 网络通信技 术。 随着无线通信网络与数据传输的需要而产生 。 Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 技术具有 以 远程监控系统设计主要是可 以及 时掌握所要监控 区域 的整个 下特点 ： 作频率范围灵活 、 使用Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 技术对于微控制器 ＭＣ Ｕ的资 工作状态 、 数据 、 变化等信息 。 对整个信 息进行 分析 ， 得 出结论 为生 源要求较低 、 Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 传 输 技术 安 全 可 靠 、 低功耗 。 产等相关一 线做技术保 障 。 基于Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 技术 ， 将其运用于远程控 制 １ ． ２ Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 技 术协议 结构 系统进行无线传感通信中， 实现生产一 线的管理 、 维护 、 反馈的一系 Ｚ ￣ｂ ｅ ｅ 技术协议体系的结构如图ｌ 所示。 协议使用Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ ８ ０ ２ ． １ ５ ． ４ 列 自动化生产 ， 有效的提高 了生产效率 、 减少 工作人 员现场一线勘 标准指定的相 关物理层 与媒体层 。 Ｚ ｉ ￣ ｂ ｅ ｅ Ｎ盟在这个基础之上又加 察时 间， 有效 的提高经济效 益， 改 善工作环境 。 上 网 络 层 与 应 用 层 的框 架 。 ２ ． ２基 于ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 的远程 监 控 系统 的 结构 设 计 其 中物理层是为整体提供相关数据和管理服务 的。 媒体访 问接 基于Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 的远程监控系统采用集散式控制结构 。 使用Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 入 层是信号 的接人 、 退 出、 时 隙管 理等功能 。 网络层主 要是建立 加 移动通信通道 ， 进行一线工作 的监测 ， 监测 到的参数 汇总到主控制 入、 离开网络、 维护信息的功能。 应用层是提供与网络与实体之 间的 器 进 行 处理 分 析 ， 工作 人 员 可 以在 主控 制 中心 迅 速 掌 握整 个 生 产 一 数据输送 的功能 。 线的工作状 况 ， 迅速发现安全隐患， 及时处理 事故 并上报 中心。 与此 １ ． ３ Ｚｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 通 信 模 式 同时 ， 事故隐患数据 同时通过Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 网络接 口与Ｇ Ｐ Ｒ Ｓ 移动 网络接 在Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 技 术 中 的 通信 模 式 有 透 明广 播 模 式 、 二进制模 式、 透 口相连接 ， 迅速上传数 据到网络 中心 ， 并保存数据信息 。 基于Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 的远程监控系统 的集散 式控 制结构如 图２ 所示 。 有结构图２ 可知 ， 图中的现场采集点分布在生产一 线的设 定位 厂 孵 １… 一 置， 分散 的采集点 ， 集 中采集数据信息进 行发送 。 通过使 用Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 系 ［西丕 ］ ｌ 协议 统中的ＲＦ Ｄ （ 简化功能设备胙 为子节点 ， 可以降低 系统功耗。 Ｒ Ｆ Ｄ经 匿 匿 Ｔ — Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ 』 Ｉ 过Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ 的无 线网络数据 以通讯 协议为标准 ， 发送 指定帧格 式消 息， 传输给Ｆ Ｆ Ｄ（ 全功能设备） 节点 。 Ｆ Ｆ Ｄ 节点可 以与Ｇ Ｐ ＲＳ 进行连接， ［ 二 ＿ 蓝二 ］ － 一 将数据上传给通信 网络 ， 并将收集到的每／ ￣ ＇ ＲＦ Ｄ 数据传输给远程控 图１ Ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ技 术 协 议 结 构 图 制室的主 控制器 。 主控 中心对此数据进行分析处理 ， 及时反馈 到生 产一 线。 这样的过程可 以实现数据信息 的自动化 、 及时化 、 准确化 。 ３结 语
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
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・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。