摘要：設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理論的油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)分為2級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場層次由能自組網(wǎng)、自恢復(fù)的ZigBee樹形網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)發(fā)送到小區(qū)中心節(jié)點，中心節(jié)點通過GPRS或CDMA網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)服務(wù)器。針對野外節(jié)點工作，設(shè)計了高效率的DC／DC轉(zhuǎn)換電路和快速動態(tài)電源路徑選擇電路，低功耗的RF工作電路。實驗表明，該系統(tǒng)能夠滿足工作需要。
關(guān)鍵詞：數(shù)字油田；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；動態(tài)電源路徑規(guī)劃；RF工作電路

0 引言
    隨著石油資源逐漸開采，可用油資源日益緊缺，并且隨著人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，石油消耗量日益增大。在這樣的形勢下，對現(xiàn)有石油資源進(jìn)行科學(xué)采集、提高開采利用率顯得愈發(fā)重要。
    普通采油廠一般由多口油井、計量站、管匯閥組、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其他分散設(shè)施組成，整個采油廠的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)(主要有溫度、壓力、流量等)直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質(zhì)量。
    數(shù)字油田是將油田中所有的事物(盆地、地面、井中、油藏)全部抽象為邏輯數(shù)字，通過高性能計算機(jī)多元異構(gòu)的全面處理(運(yùn)算、模擬、建設(shè)平臺和存儲)，從而可以對油田地上、地下做完整的表征和直觀的展示。也就是說能夠用數(shù)字展示和表述全部油田事物的現(xiàn)代化高新技術(shù)。其實質(zhì)是，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化信息，信息轉(zhuǎn)化知識，以信息作為技術(shù)為油田服務(wù)，從而尋找到新的油藏和油田以及提高油氣的采收率。
    對石油采集、運(yùn)輸和存儲等環(huán)節(jié)的眾多參數(shù)實時監(jiān)控，是實施數(shù)字油田的一個重要組成部分，為生產(chǎn)人員掌握采油設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為監(jiān)控油井生產(chǎn)異常、監(jiān)控油井產(chǎn)量、運(yùn)輸防盜和存儲防盜防漏等科學(xué)決策提供重要參考。
    將如此諸多參數(shù)傳送到油田監(jiān)控中心，需要構(gòu)建一個效率高、響應(yīng)快、費用低的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。本文針對油田實際需求及現(xiàn)場特點，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理念的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年提出的一種新興技術(shù)，基于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)的特點是在現(xiàn)場自動建立網(wǎng)絡(luò)路由、能自組織，在某些節(jié)點失去功能網(wǎng)絡(luò)自動恢復(fù)，適合
于野外環(huán)境下作長時間工作的無人值守觀測網(wǎng)絡(luò)及自動化執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
1．1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
   在現(xiàn)有的自動化油田數(shù)據(jù)采集傳輸方案中，為一臺主控設(shè)備通過有線接載多路傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集各路數(shù)據(jù)之后，通過GPRS或CDMA信道傳送至數(shù)據(jù)中心，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求每臺抽油機(jī)或其他設(shè)備均通過GPRS或CDMA傳輸。在本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，其基本結(jié)構(gòu)由兩個層次網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成，第一層網(wǎng)絡(luò)是一個采油井區(qū)范圍內(nèi)，構(gòu)建一個本地的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，所有的數(shù)據(jù)匯總至井區(qū)的中心；第二層網(wǎng)絡(luò)是各井區(qū)的中心，通過GPRS或CDMA方式再傳送至整個油田的數(shù)據(jù)中心。
    采用兩級網(wǎng)絡(luò)方式，將具有以下優(yōu)勢，
    (1)減少有線布設(shè)，降低線纜及其施工費用，也降低了現(xiàn)場設(shè)備安裝的復(fù)雜度；
    (2)減少了GPRS或CDMA通信節(jié)點數(shù)目，將有效降低設(shè)備運(yùn)營產(chǎn)生的通信費用；
    本文提出的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分為兩個層次，每個工作小區(qū)現(xiàn)場布設(shè)普通節(jié)點和小區(qū)中心節(jié)點，小區(qū)中心為整個小區(qū)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心，收集數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)達(dá)命令，其通過現(xiàn)有的GPRS(CDMA)網(wǎng)絡(luò)和架設(shè)在機(jī)房的服務(wù)器聯(lián)系，由于第二層次和既有設(shè)計一樣，下面將重點討論第一層次的設(shè)計。
1．2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    目前無線自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有星型、樹形和MESH等三種。這三種網(wǎng)絡(luò)各有特點，適應(yīng)于不同的應(yīng)用場景下。
    油田應(yīng)用中，所有節(jié)點將數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點，中心節(jié)點向工作節(jié)點發(fā)布命令，工作節(jié)點之間沒有進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)通信的要求。在此條件下，應(yīng)該采用樹形結(jié)構(gòu)。
1．3 網(wǎng)絡(luò)路由建立
    節(jié)點開機(jī)后，首先發(fā)出廣播信息，尋找網(wǎng)絡(luò)，就近收到的節(jié)點作出響應(yīng)，并將節(jié)點的加入請求回送給中心點，中心點根據(jù)最短路由依據(jù)，僅對其中一條請求(如果有多條的話)做出回應(yīng)，并分配網(wǎng)內(nèi)地址，長度為2 B，自后，即以此短地址作為網(wǎng)內(nèi)通信時用的識別碼。字節(jié)收
到中心節(jié)點的加入網(wǎng)絡(luò)許可后，即跳出加入網(wǎng)絡(luò)模式，進(jìn)入正常工作模式。
    數(shù)據(jù)傳輸采用Trans-ACK模式，即每發(fā)送一個包，采用端對端的應(yīng)答機(jī)制，以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定；數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后，最多允許3次重傳，如果3次重傳失敗，則宣告節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系，進(jìn)而重新執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)過程。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計
2．1 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)
    第一層次中小區(qū)中心結(jié)構(gòu)如圖1所示，與普通節(jié)點間差別是沒有安裝GPRS(CDMA)模塊，即小區(qū)中心節(jié)點同時也具有完備的普通節(jié)點的采集數(shù)據(jù)和動作控制能力。除此之外，它們的太陽能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。

2．2 節(jié)點電源設(shè)計
    節(jié)點的電源供應(yīng)事關(guān)整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期，故一方面要千方百計增加電源供應(yīng)，另一方面要降低能量消耗。
    傳感器節(jié)點采用自供電設(shè)計，裝備太陽能電池和可充電的Li電池。電源部分如圖2所示。太陽能電池板受太陽光照的影響，輸出電源的電壓、功率變化較大，要求DC／DC電路具有較大的適應(yīng)性，為此設(shè)計DC／DC電路具有6～20 V的輸入電壓范圍，輸出電壓穩(wěn)定在4．4 V，功率轉(zhuǎn)換效率不低于80％。

    動態(tài)電源路徑選擇電路自帶數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路，判斷太陽能電池輸出部分的電壓，根據(jù)電壓值即時判斷太陽能電池供應(yīng)能力不足，進(jìn)而判斷是否從Li電池取電工作或給Li電池充電以及充電電流的大小，其工作流程如圖3所示。

    實際設(shè)計中，電源供應(yīng)切換時間要求大約為5μs，由于有輸出端的儲能電容的作用，不會引起工作電路的復(fù)位或工作異常。
2．3 RF設(shè)計
    自從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念提出以來，許多的芯片公司如TI、Freesacle和Atmel等都以極大的熱情投入其中，大量的低功耗的RF芯片因此得以面世。許多針對此種網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議也紛紛提出，其中ZigBee聯(lián)盟提出的ZigBee協(xié)議是目前影響最深遠(yuǎn)的，也是目前最為成熟的一種協(xié)議。
    本文節(jié)點采用ZigBee協(xié)議處理器CC2430，它是TI公司最新推出的符合ISM頻段的2．4 GHzIEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kb／s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2430工作頻帶范圍為：2．400～2．483 5 GHz，采用O-QPSK調(diào)制方式，超低電流消耗(RX：19．7 mA，TX：17．4 mA)，高接收靈敏度(-99 dBm)；IEEE 802．15．4 MAC層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16 b CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護(hù)(CTR，CBC-MAC，CCM)；CC2430只需要極少的外圍元器件，其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3個部分。
    CC2430為IEEE 802．15．4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變。可以采用16 b CRC校驗來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128 B的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。

3 節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計
    本設(shè)計整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作在ZigBee協(xié)議?；A(chǔ)上，其基本源代碼可以從TI公司獲得。關(guān)于ZigBee協(xié)議棧的工作原理及實現(xiàn)方法本文不再贅述。
3．1 網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)存儲策略
    數(shù)據(jù)在普通節(jié)點采集并最多緩存24 h數(shù)據(jù)(FIFO結(jié)構(gòu))，如果每臺節(jié)點和超級節(jié)點實時在線連接，那么緩沖區(qū)里就沒有存下數(shù)據(jù)；
    (1)小區(qū)中心節(jié)點按照時間先后順序，總緩存所轄節(jié)點發(fā)送過來的24 h數(shù)據(jù)(或更長)，不管此數(shù)據(jù)是否上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器；
    (2)小區(qū)中心節(jié)點首選連接主服務(wù)器，連接成功將數(shù)據(jù)發(fā)送，如果超過1 h未能連接成功，則連接從服務(wù)器，連接成功將數(shù)據(jù)發(fā)送直到連接斷開；如果斷開了和從服務(wù)器的連接超過1 h，則連接主服務(wù)器；
    (3)小區(qū)中心節(jié)點在連接成功后，總是試圖將緩存數(shù)據(jù)依次上傳；同時也能響應(yīng)服務(wù)器的讀取歷史數(shù)據(jù)的命令；
    (4)小區(qū)中心節(jié)點支持采用短信方式更改主次服務(wù)器的IP及PORT。
3．2 數(shù)據(jù)傳輸類別
3．2．1 數(shù)據(jù)常規(guī)上行
    數(shù)據(jù)常規(guī)上行是指各節(jié)點按照設(shè)定的采集間隔將數(shù)據(jù)采集并上傳，其流程如圖4所示。

3．2．2 數(shù)據(jù)按需上行
    除了常規(guī)的按間隔采集數(shù)據(jù)之外，在某些情況下，控制人員需要查看即時數(shù)據(jù)，這時就需要數(shù)據(jù)按需上行模式，這種模式采用一問一答模式，其流程圖如圖5所示。

3．2．3 數(shù)據(jù)突發(fā)上行
    數(shù)據(jù)突發(fā)上行發(fā)生在特殊情況下，這些情況是指某種傳感器數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值、太陽能板長時間失去電壓(即可能損壞)、可充電電池?zé)o法充電(即可能損壞)、保護(hù)殼體被異常打開等等。這種情況下，常規(guī)節(jié)點即主動發(fā)起通信，傳送相關(guān)的數(shù)據(jù)。
3．2．4 命令下行
    命令下行是指數(shù)據(jù)服務(wù)器對整個網(wǎng)絡(luò)或指定節(jié)點進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其工作流程如圖6所示。對整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行設(shè)定時，采用廣播模式；對指定節(jié)點設(shè)定時，采用點播模式。

4 實驗
    電源關(guān)乎整個網(wǎng)絡(luò)的生存能力，電源問題至關(guān)重要，本文設(shè)計的太陽能電池DC／DC轉(zhuǎn)換效率在輸入電壓20 V、輸出功率0．5 W時為80．6％，在同樣輸出功率，6 V輸入電壓時效率達(dá)95．1％。
    板載的Li離子電池容量為3 000 mAH，經(jīng)實驗估計，節(jié)點每分鐘采集一組流量計數(shù)據(jù)，完全不用太陽能板能持續(xù)工作20天。
    搭載2 W單晶硅，在滿足節(jié)點工作之外，能在10 h完全將電池充滿。
    在采油廠、井場類似的環(huán)境下，節(jié)點之間以250 kb／s的速度通信時，距離在70～100 m，因而覆蓋一個井場范圍內(nèi)的所有的被測物，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點大概2～3跳即可以。

5 結(jié)論
    針對采油廠建設(shè)數(shù)字油田的實際需要及現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)的特點，本文提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，本網(wǎng)絡(luò)具有布置簡單、建設(shè)維護(hù)運(yùn)行成本低、無需額外供電等優(yōu)點，經(jīng)實驗室及現(xiàn)場初步試驗表明，此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的推廣價值。