油田多功能ZigBee信号转换器设计与应用

孟开元，王露瑶，曹庆年

(西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065)

油田多功能ZigBee信号转换器设计与应用

孟开元，王露瑶，曹庆年

(西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065)

为解决现场调试和监测过程中的通信不兼容和通信困难及实现井场无线设备与人机端无线遥控联接，设计了一种ZigBee信号转换器，该转换器通过无线天线接收井场的ZigBee信号，采用SP3232EA芯片进行电路电平的转换，将ZigBee信号转换成RS232信号,最后通过型号为XBee-PRO ZB的无线射频模块和USR-WiFi232-B的WiFi转串口模块完成多种信号之间的转换和通信。使PC、平板电脑等能够通过无线和有线两种通信方式对井场设备进行信息采集，并将控制命令转换成ZigBee信号反馈给井场设备。

数字化油田；无线传输；信号转换器；ZigBee；WiFi

数字油田的主要目标是实现油田生产和企业管理过程的网络化、数字化、智能化和可视化[1]。抽油机控制系统和各类仪表为油田的生产带来了极大的便利，为油田实现远程监测和控制提供了基础[2]。通过有线方式进行数据传输，铺设电缆成本高，电缆容易老化、损坏，且后期维护成本高。为了解决上述问题，油井远程控制系统大多采用无线通信技术进行数据传输。ZigBee技术以其低功率、低成本、高可靠性、网络容量大等特点被广泛接受[3-4]。

随着ZigBee技术在油田的应用，同样也带来了新的技术问题。在现场监测和调试时，技术人员必须采用串口线连接RTU或仪表，ZigBee信号无法实现和计算机系统直接通信。本文ZigBee信号转换器提供一种ZigBee转WiFi网关,包括ZigBee模块、WiFi模块和电源模块，各模块之间通过串口连接。可实现远程接收ZigBee信号，并转换成WiFi信号或通过RS232接口输出，同时将WiFi终端设备发送的数据通过该网关直接发送给ZigBee节点设备并反馈到井场，为油田生产现场调试和监测带来了极大的便利。

1 转换器的系统结构和模块组成

1.1 应用多功能转换器的油田无线测控系统

多功能转换器用于实现井场的无线仪表、无线RTU与计算机设备的通信。通过将无线设备采集到的数据传输给上位机系统，并且把上位机反馈的命令发回无线设备，方便油田现场调试和监测工作，应用多功能ZigBee信号转换器油田无线测控系统如图1所示。

1.2 ZigBee多功能信号转换器组成

ZigBee信号转换器以SP3232EA芯片为核心集成无线模块，可完成多种通信协议之间的转换，主要包括ZigBee、WiFi、RS232等。转换器拥有外接无线天线，可以分别接收WiFi信号和ZigBee无线信号，并且实现ZigBee信号、WiFi信号与RS232信号之间的相互转换。该转换器自身具备电源，电源具备充电功能。其组成如图2所示。

该电路采用+3.3V电源输入，主要由电源、电压转换模块、串口连接电路、WiFi电路、ZigBee电路和无线收发模块组成，实现串口数据的无线收发。

图1 应用多功能转换器的油田无线测控系统图

图2 ZigBee多功能信号转换器组成

1.2.1 ZigBee模块 该设计选用美国DIGI公司的远距离低功耗数传模块，型号为XBee-PRO ZB的嵌入式表贴无线射频模块提供了ZigBee网状网网络终端设备的高性价比无线连接，频段有2.4 GHz、900 MHz、868 MHz 3种，同时可兼容802.15.4协议。模块的配置方式有2种，分别是AP和ATI命令。无线射频通讯速率为250 kbit/s，户外/无线射频可视通讯距离为3 200 m。

1.2.2 WiFi模块 该设计选用型号为USR-WiFi232-B的WiFi转串口模块(无线标准802.11 b/g/n)，可实现串口到WiFi数据包的双向透明转发，在模块内部完成协议转换。选用外置天线版本，其通讯距离为400 m。支持IEEE802.11b/g/n协议，支持无线工作在AP模式和节点模式。

2 多功能信号转换流程

多功能信号转换器能够实现ZigBee信号与WiFi信号和RS232信号三者之间的相互转换，用于将井场的无线仪表和RTU发出的ZigBee信号转换成个人计算机或平板电脑设备可接收的WiFi信号和RS232信号，并将其反馈信号转换成无线仪表和RTU可接收的ZigBee信号。多功能信号转换器工作流程如图4所示。

图3 充电电路原理图

图4 多功能信号转换流程图

2.1 ZigBee与RS232之间相互转换

ZigBee模块与串口间的数据通信可通过串口连接电路实现。选用标准DB9母头(孔型)串口配置操作简单，可方便后期的调试工作。由于终端设备所定义的高低电平信号与RS-232标准定义的信号完全不同，因此使用SP3232EA芯片进行电路电平的转换[5]。

发送数据时，信号经TXD管脚发送至芯片，经处理将EIA/TIA-232电平转换为TTL逻辑输出电平，再通过ZigBee模块无线发送。接收数据过程与发送数据相反，ZigBee模块先接收到UART数据信号,然后经RS232串口连接电路将TTL逻辑电平转换为EIA/TIA-232标准电平，再通过串口向上位机输入数据信号。

串口连接电路通过芯片实现RS232信号、ZigBee无线信号及WiFi信号之间的相互转换，通过开关实现其功能的切换。

2.2 WiFi与RS232之间相互转换

WiFi模块将接收到的无线数据转换成UART数据,并与WiFi电路的TXD管脚和RXD管脚相连接。经SP3232驱动器可对接收到的数据解析处理,并可调节串口发送的波特率[6]。处理完的数据经SP3232芯片转换成RS232信号传送出去。同样，RS232信号转换为WiFi信号通过上述逆过程即可实现。

2.3 ZigBee与WiFi之间转换

ZigBee与WiFi之间的转换直接利用SP3232芯片实现，将ZigBee转换RS232信号再进一步转换成WiFi信号，反之逆向完成WiFi信号转换成ZigBee信号。最终实现ZigBee信号与WiFi信号的互通与转换。

3 应 用

该多功能转换器在大港、青海油田等多处进行了测试和应用，通信效果较为满意。据统计，共有20多套设备在上述两油田进行了应用实验，实现了在100多个井场的多次使用，可准确在PC或平板电脑上显示出功图采集信息并存储功图数据，满足用户基本需求。在调试过程中，避免了人机接触，减少了用串口线连接电脑的繁琐环节，实现了无线修改参数和下载软件，缩短了调试工作时间，提高了工作效率和操作安全性。在应用中，多功能转换器避免了在井场各个设备的相互有线连接，通信方便快捷且较为可靠。

具体测试效果如下:

(1)通信距离：在无障碍物遮挡情况下最大传输距离可达40 m。

(2)传输速率：在ZigBee协议下传输速率可达200 kbit/s，在WiFi 802.11b标准协议下最大传输速率为10 Mbit/s。

(3)转换器可在无外接电源情况下正常工作12 h。

4 结束语

油田多功能ZigBee信号转换器通过天线接收无线信号，并实现ZigBee信号与WiFi、RS232信号之间的相互转换，有效地将井场无线信号转换成PC、平板电脑等可用的无线和有线信号，方便地连接了井场仪表、井口装置以及抽油机控制器。其自身具备电源，可实现在井场范围内的设备远距离连接，为设备的调试和监测带来了极大便利，提高了工作效率。同时也避免了近距离的人机接触，确保安全生产。但无线信号转换WiFi信号同时给系统安全带来了新的要求，并且受电路和电池性能的影响，信号转换器的使用稳定性仍需进一步优化，以便更好地为油田生产服务。

[1] 许代红，蓝永乾.运用物联网技术构建数字化油田生产运行综合管理平台[J].通信管理与技术，2011(3):32-35. XU Dai-hong,LAN Yong-qian.Using internet of things technology to constructure a integrated management platform for producing digital oilfield[J].Communications Management and Technology,2011(3):32-35.

[2] 王雅荟，杨雷鹏，范蟠果.基于ZigBee技术的油田远程监控系统设计[J].计算机测量与控制，2013,21(2):374-376. WANG Ya-hui,YANG Lei-peng,FAN Pan-guo.Design ofoilfield remote monitoring system based on ZigBee technology[J].Computer Measurement & Control,2013,21(2)：374-376.

[3] LEE Jin-shyan，SU Yu-wei，SHEN Chung-chou.A comparative study of wireless protocols:bluetooth，UWB，ZigBee and Wi-Fi[C].The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON)，2007:46-51.

[4] Nick Baker.ZigBee andbluetooth strengths and weaknesses for industrial application[J].Computing & Control Engineering Journal，2005(16):20-25.

[5] 邵永刚.桥梁无线检测系统ZigBee-WiFi转换器研制[D].西安：西安科技大学，2011：15-16.

[6] 孙刚，刘炜，景振兴.矿用多功能WiFi信号转换器的设计[J].工矿自动化，2011,12(12):74-75. SUN Gang,LIU Wei,JING Zhen-xing.Design ofmine-used multi-function WiFi signal converter[J].Industry and Mine Automation,2011,12(12)：74-75.

责任编辑：张新宝

2014-09-01

西安市科技计划项目“无线短程网在油田应用的关键技术与理论研究”(编号：CXY1121(2))

孟开元(1968-)，男，硕士，副教授，主要从事嵌入式系统、计算机体系结构研究。E-mail:kymeng@126.com

1673-064X(2015)02-0107-04

TE938；TP212

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