| 标题 | 无线传感器网络在油田数据传输系统中的运用分析 |
| 范文 | 木巴热克·安尼瓦尔 [摘 要]随着我国科学技术的快速发展，无线传感器网络开始广泛应用在社会生产的各个领域，油田行业也不例外。在油田数据传输系统中，应用无線传感器网络可以实时传递油田生产数据信息，保证油田开采监管的实时性、动态性。基于此，本文首先提出无线传感器网络在油田数据传输系统中的应用架构，进而提出油田数据传输系统的软硬件设计。 [关键词]无线传感器网络；油田传输系统；设计 doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.10.084 [中图分类号]TP212.9；TN929.5 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2019）10-0-02 0 引 言 无线传感器网络中包含多种技术，包括传感技术、无线网络技术、计算机软件技术，是一种多学科交叉、技术集成度高的新技术，以物联网技术为核心，通过软硬件结合不断完善油田传输系统，实现油田开采现场实时监控，保证生产效能和生产安全。在无线传感器网络应用中，通过GPRS/CDMA技术构建油田传输系统，将整个网络划分为两级网络结构，采用ZigBee树形网络实现，普通节点数据采用小区中心节点和GPRS/CDMA网络发送到远程服务器，在控制终端中实时显示采集信息，实现油田现场的动态化管理。 1 无线传感器网络在油田传输系统中的应用框架 1.1 网络结构 传统的油田传输系统主要采用控制终端统一控制，是一种有线连接的方案，将多个传感器相连接，并对数据进行采集、处理，在GPRS/CDMA模块中即可将油田相关设备的运行信息传输到数据中心。无线传感器网络大体上可以分为两个层次，一是在采油井区域范围内构建一个无线传输网络，将所采集的数据传输到井区中心；二是各个井区中心通过GPRS/CDMA将数据传输到油田数据中心。采用该方法的优势表现在以下两个方面：第一，降低线缆的投入、敷设量，从而减少线缆施工费用，设备移动和运维更加方便；第二，通过集中传输信息，降低通信节点量。传输系统主要包括普通节点与小区中心节点，这两个节点分工不同，但可以保证信息传递性能，普通节点通过传感器采集设备信息，而小区中心是普通节点的数据汇聚中心，主要负责搜集相关信息数据并转达命令。 1.2 网络拓扑结构 普通节点采集完设备信息后将所采集的数据传输给中心节点，中心节点将汇聚的信息传输给服务器，普通节点间不产生信息通讯交互，这样即可形成ZigBee树形结构。 1.3 网络路由 传感器等设备接通电源之后，此时会自动连接所需连接的无线节点，通过网络工具连接，待到节点连接完毕后会给予反馈，中心节点会获取普通节点的连接请求，中心点根据所获取的信息指令回复请求，连接中心、普通节点。应用短地址的通信识别码可以提升连接速度，待到加入网络许可被字节接受后，会自动切换网络连接模式，节点即可正常工作。 在无线传感器网络系统中，数据传输采用Trans—ACK模式，该模式通过点对点的方式发送数据信息，避免其他信息数据传递造成干扰，确保信息传递的稳定性与安全性。系统允许数据最多重传3次，如果依然失败，系统自动判定点对点连接错误，自动断开重新连接网络。 2 网络节点硬件设计 2.1 硬结结构 第一层次小区中心点连接电源管理模块、RF模块、传感器、控制机构、状态指示、GPRS/CDMA模块。中心节点和普通节点体系大致相同，有多个和服务器连接的GPRS/CDMA模块，所以中心节点包括普通节点所有性能，如动作控制功能等，同时也可以传输信息。此外，中心节点和普通节点所采用的太阳能电池、电池容量、运行软件也存在很大的差异。 2.2 电源设计 节点电源供应关系会直接影响整体传输系统网络的运行周期，所以在确保电源供应的基础上，电能损耗也会随之降低。普通节点需要实时采集信息数据，所以自供电方案更加适宜，建议采用“太阳能电池+锂电池”组合形式。众所周知，太阳能电池之所以没有锂电池使用面广，主要是因为接受太阳能的电池，其电压、功率波动较大，所以要保证DC电路的适应性能够满足太阳能电池的使用需求。DC电路设计输入电压为6～20 V，输出电压为4.4 V，要有80%以上的功率转换率。 动态电源路径选择电路自带数模拟转换电路，实时检测太阳能电池的电压，结合具体的电压数值判定太阳能电池的性能，判定是否启动锂电池或给锂电池充电。在投入生产和使用中，电源供应切换间隔时间非常短，在5μs左右，由于输电端设置了储能电容，有效降低了工作电路复位或工作异常 的概率。 2.3 RF设计 采用与ZigBee节点应用性能相吻合的处理器，处理器要求复合ISM频段2.4 GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器，确保网络传输性能符合传输系统要求，满足多点对多点的网络传输要求。协议处理器的频带为2.400～2.4835 GHz，通过O-QPSK调节方案，具有超低能耗、高接受灵敏度的优势，IEEE 802.15.4 MAC层硬件支持自动帧格式生成、电源检测、16 bit CRC校检、同步插入检测、自动MAC层安全保护等功能。协议处理器所需要的其他元件较少，主要包括晶振时钟电路、射频输入或输出匹配电路、微控制器接口。 协议处理器可以为IEEE 802.15.4提供数据帧格式需求，MAC层的帧格式为“头帧-数据帧-校检帧”；PHY层帧格式为“同步帧-PHY帧-MAC帧”。想要调节帧头序列长度，可以重新设置寄存器，采用16位CRC校检确保安全传输数据，避免丢包。发送、接收数据帧从RAM中128字节缓存区获得影响的帧打包、拆包操作。 3 节点与网络软件设计 3.1 网络连接与数据存储 通过每个普通节点采集数据，数据最多缓存1天时间（FIFO结构），如果保证每个节点能够保持网络连接，通常缓冲區不会存留数据信息。小区中心节点以时间为主进行前后排序，总缓存带所管辖的节点发送数据存储时间为24小时，也可以适当延长。油田小区中心节点主要连接到主服务器、普通节点，起到桥梁中转的作用，连接成功后即可发送数据信息（普通节点→中心节点→总服务器），各个终端连接完毕后即可发送数据信息，将缓存数据全部发送到服务器。如果中心节点、服务器之间的中断时间超过1小时，系统先断开现有连接重新进行连接，并尝试数据传递。在普通节点、中心节点、总服务器连接成功后，会将普通节点→中心节点的数据依次上传，还可以在人机交互终端看到服务器读取的数据信息以及历史记录。小区中心节点和手机系统相连接，可以通过智能手机远程更改服务器IP地址、PORT端口号。 3.2 数据传输类型 数据在传递过程中，各个节点按照设定标准进行数据采集，并定期上传采集的数据。除了系统设定的上传间隔外，在特殊情况下，控制人员可以在人机交互系统中实时查看生产数据，也就是采用按需上行模式，该模式采用一问一答，针对性调出相关数据信息。数据突发上行是在特殊条件下，节点采集的采油机等设备运行参数超出了设定阈值、太阳能电池系统失去电压、可充电电池难以充电、保护壳意外打开等，此时常规节点会主动发送预警信息，工作人员看到预警信息之后即可到现场处理。命令下行是总服务器向中心节点发送命令请求，中心节点再连接普通节点，从而可以在操控终端上修订运行阈值参数。在对整个网络节点参数进行设置过程中，主要采用广播形式，而采用点播形式某个节点进行设定。 4 无线传感器网络在油田数据将那传输系统中的应用优势 4.1 规模大 在过去，为了能够得到更加精准的信息数据，在监控区域通常要布置大量的传感器，甚至达到几百个。由于油田规模非常大，想要全面掌控油田的生产现状，必须要有足够的传感器支持，信息传输系统投入成本非常高。无线传感器网络可以通过不同空间视角获得更多信息，信息比更大，通过将油田分为若干小区，并采用分布处理方案可以在采集大量信息基础上，确保信息的检测精度、传输效率，降低单个节点的精度要求。此外，由于存在大量冗余节点，所以系统更具容错性。 4.2 自组织 在无线传感器网络中，需要将传感器设置在需要采集数据的位置，如天然气、有害气体浓度传感器。由于所需监测的设备数量多，如果传感器节点需要投入大量人力，并且无法保证系统安全，会提高运行成本。而无线传感器网络采用拓扑控制机制、网络协议自动形成转发的多级网络系统，即使是因为客观因素造成普通节点、中心节点、总服务器之间连接失效，系统可以不断尝试自动连接，直到连接成功为止，从而便可以减少传输系统网络故障问题，确保信息传递的及时性。 4.3 动态性 网络传感器网络拓扑结构会由于以下几点因素发生改变：①环境或电能耗尽造成传感器故障、失效；②环境条件变化可能会影响无线通信链路带宽变化；③传感器、感知对象、观察者三者的移动性；④加入新节点。这些都要求传输系统满足这些动态变化，整个系统要有动态调整性。 4.4 可靠性 由于油田监测区域非常大、节点数量多，不可能人工对每个节点进行检查。保证无线网络传感器通信的保密性、安全性十分重要，可以避免数据信息被盗取、篡改，所以在无线传感器网络软硬件设计中，必须具备容错性与鲁棒性。 5 结 语 为了能够有效提升无线传感器网络在油田传输系统中的应用效能，需要加强无线传感器网络技术研究，在确定主框架的基础上，针对性展开软硬件设计，保证信息传递的时效性、安全性，从而才能发挥无线传感器网络的作用。 主要参考文献 [1]孙建延，许春香.无线传感器网络在油田数据传输系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2012（6）. [2]梁宝娟，孙少波.无线传感器网络在油田中的应用[J].现代电子技术，2012（3）. [3]王永鹏.基于ZigBee无线传感网络的油田环境数据采集系统设计[D].呼和浩特：内蒙古大学，2014. [4]刘佶，徐群.ZigBee无线传感器网络技术在油田信息采集系统中的应用[J].电子设计工程，2014（5）. [5]康凯.无线传感器网络用于油田数字化管理系统[J].油气田地面工程，2015（7）. [6]李清辉，刘英，张亚顺.物联网建设中无线传感器网络（短距离无线）通信的几个关键因素——以油气生产物联网的井（口）场数据无线通信为例[J].信息系统工程，2014（3）. |
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