井场环境无线监测系统设计

邱勇智+邓魁+张超豪+杨兵祥+胡思洋+朱思萌

（西南石油大学机电工程学院 四川 成都 610500）

摘 要：根据无线通信技术低功耗、低成本和动态性的优点，研究基于无线传感网的井场环境监测系统，对井场环境进行监测，防止井下事故的发生。系统的硬件由终端、路由器、协调器、上位机四部分组成，主要针对井场环境监控困难、环境复杂、事故易发的情况。该系统软件的基本思想是：先初始化系统，然后启动A/D转换，将采集到的数据送给CC2530进行存储、数据处理，最后利用CC2530的RF收发器对数据进行发送。该系统采用无线ZigBee技术作为传输方式，同时结合了虚拟仪器技术，对上位机界面进行了设计。系统测试过程稳定，结果可靠，同时抗干扰能力较强且可以应用于多种户外环境参数的采集与监测。

关键词：井场环境监测；无线通信技术；ZigBee；数据采集

项目资助：本研究受油气消防四川省重点实验室开放基金项目（No. YQXF201602），2016国家级级大学生创新创业训练计划项目 （项目号：201610615030）资助。

1引言

随着能源危机的到来，对石油资源的长期、安全、高效开采，已成为大家研究的话题。井场环境条件恶劣，危险性高，需要监控参数多。由于对相关参数的控制不及时而造成的一些或大或小的事故，造成这些事故的原因除了所处地质的本身条件外，很多时候都是由于对采油参数的控制不及时而造成的。进入21世纪，他们不仅使用无线通信技术来对井场环境进行监测，而且在钻井技术方面也实现了自动化。但是在井场环境中有线方式在一些应用中存在一定局限性，如需经过强腐蚀地段等。因此无线通信技术得到高度重视。无线通信技术具有低功耗、低成本和动态性等优点[1]。它们能够很好的应用到环境无线监测，因此，研究基于无线传感网的井场环境监测系统具有十分重要的作用和意义。

2 井场环境无线监测系统的硬件设计

2.1 系统硬件的设计框架

本系统采用固定端采集模式，分为终端、路由器、协调器、上位机四部分。在网络中，传感器节点分布在井场内的各个地方，根据网络的覆盖性以及实际井场的面积，计算出总共需要多少个传感器节点。[2]这些传感器节点对井场环境的温湿度、光照强度以及各种有害气体进行实时采集。当协调器上电时，开始对网络进行建立，然后通过ZigBee的方式与传感器节点进行无线连接。系统组成如图1所示：

2.2 网络节点的硬件设计

2.2.1 网络节点整体设计

该设计针对的是井场环境参数的监测，井场环境一般较恶劣，需要采集的环境参数包括可燃气体（甲烷）、温湿度、光强、有毒气体硫化氢以及烟雾等等。在该设计中，整个网络的主控芯片采用CC2530，它能很好地适应井场环境的监测。除此之外，网络还应具有传感器模块、射频模块、电源模块、通信串口以及天线等来满足整个网络数据的无线通信功能[3]。传感器模块主要包括MQ-2型气体传感器、温湿度传感器SHT11、光电传感器和硫化氢传感器。传感器与CC2530芯片都集成在同一块PCB板子上。通信串口使用RS232。

2.2.2 传感器电路设计

本设计研究的井场环境无线监测系统，主要是对井场的环境参数进行采集、监测，需要对网络节点配置相应的传感器电路。传感器模块主要包括MQ-2型气体传感器、温湿度传感器SHT11、CH4传感器、光电传感器和硫化氢传感器。

2.2.3 串口通信电路

本设计的串口通信采用串行通信。这种通信方式可以节约通信成本，但是传输速度比并行慢。串口通信电路就是为了使协调器与上位机相连，通过上位机对数据进行显示。

2.2.4 其他电路

天线线路使通讯信号能从一节点通过无线方式发送至另一节点；电源转换电路使9V直流电压转换电路转换成5V直流电压与3.3V直流电压。

3 井场环境无线监测系统的软件设计

3.1 单片机端软件设计框架

单片机端软件的基本思想是：首先对整个系统上电复位初始化，然后启动A/D转换，该A/D转换器是利用CC2530的外围电路来实现的，利用相应的传感器对环境参数进行采集，将采集到的数据送给CC2530进行存储、数据处理，最后利用CC2530的RF收发器对数据进行发送，然后另外的CC2530进行接收。

3.2 上位机端软件设计框架

计算机端软件就是对数据进行无线接收，然后通过串口助手对其进行显示，再利用上位机对数据进行处理、保存、报警等功能。

3.3 上位机实现

在该设计中，利用的是LabVIEW来实现的，该界面包括用户登陆界面，串口配置界面，数据与波形显示界面，同时还具有数据保存功能。

4系统测试

4.1 模块测试

（1）数据采集模块测试

由于实验限制，本设计在测试的时候仅仅只选用了温湿度传感器SHT11和光电传感器。

（2）通信模块测试

利用两块CC2530模板，一个下载终端节点程序，一个下载协调器程序，并将协调器与上位机通过串口线连接。给协调器与终端节点上电，观察两个模块LED显示情况以及串口助手显示情况。通过模块测试，系统能够正常工作运行。

4.2 整体测试

此时点击文件路径处，选择文件保存的位置，当停止运行时，可以查看历史数据。该图显示每隔1秒采集一次参数，且节点1和节点2的参数能够很直观的显示，通過对历史参数的保存，就能对其进行数据分析，发现故障。

4.3环境实测

为了验证系统的可靠性，利用它在实验室外进行了测试。我们先完成终端、协调器与路由器的程序下载。之后，我们布置各终端节点、协调器、路由器。再对各节点进行供电，上位机采用电脑进行代替。随即，我们进行环境参数的采集。

测试结果表明，该系统能够对户外环境进行实时监测，当环境参数超过设定的值时，LabVIEW界面相应的位置就会进行报警。

5结论

本文介绍的基于ZigBee技术的井场环境无线监测系统。采用无线ZigBee技术作为传输方式，同时结合了虚拟仪器技术，对上位机界面进行了设计。经过现场实验表明，该套系统测试过程稳定，结果可靠，同时抗干扰能力较强。不仅如此，本系统还可以应用于多种户外环境参数的采集与监测。

参考文献

[1]陈方华.基于ZigBee的煤矿井下无线传感器网络的研究[D].安徽理工大学，2009.6：6-8.

[2]董朋涛.基于ZigBee的无线网络组网及可靠性研究[D].华中师范大学，2013.5：31-38.

[3]刘策，闵新力，薛君志，柴廷英.基于无线传感器的环境监控系统[J].计算机应用与软件，2015.32（1）：2-6.