基于Zigbee无线网络通信技术的油气水井监控管系统

李俊杰，孙 威，王玉峰，宋 松，曹旭东

（1.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院 北京102249；2.中石油华北油田分公司数据中心 河北 任丘 062552）

基于Zigbee无线网络通信技术的油气水井监控管系统

李俊杰1，孙 威2，王玉峰2，宋 松2，曹旭东1

（1.中国石油大学（北京）地球物理与信息工程学院 北京102249；2.中石油华北油田分公司数据中心 河北 任丘 062552）

油气水井状态监测是油田现场安全生产的重要保障措施之一。本文基于油田物联网技术和嵌入式技术，提出利用Zigbee无线局域网络和DTU模块搭建无线数据采集与传输网络，以ARM9嵌入式计算机为核心单元，采用OSGi和REST实现动态热插拔上位机软网关设计，以此来完成油气水井监控系统的整体构建。目前该系统原型机已经实现，通过现场实验表明，本系统性能稳定，各项指标均达到要求。

Zigbee；DTU；软网关；监控系统

在我国油田无论是水网、沙漠还是高原、严寒地区，油水井的数据采集基本上靠人完成，无论盛夏酷暑还是冰雪旱天，采油工都必须到现场采集油气水井示功图、平衡度、油套压、油温及产液量等井口生产数据，工人劳动强度大，且数据的准确可靠性完全依赖于采油工人的工作责任心[1]。海上油田的生产管理则更加困难，常常要借助于庞大的集输管线及增加采油平台来降低现场管理难度，采油气水井的生产参数经常受到天气变化和交通工具的影响无法正常获得，严重影响了油水井的自动化管理[2]。

目前，我国一些油田企业也采取一些通过诸如RS485总线形式的局域有线网或以GSM短信息的方式达到对油水井部分生产数据监测和统计之目的，一定程度上解决了上述问题，但这些技术有较大的局限性。

1）油田各采油现场油气水井需要监测的设备量较大，油井范围分布较广，使得有线组网布线困难，灵活性差，成本高，而且网络出现问题时，对故障点的定位和维修需要很长时间。

2）油田各采油现场油气水井通常都有大功率的电机、泵机甚至变电站，这些设备工作时所产生的干扰可直接侵入网络而导致有线网络瘫痪，严重 时周边设备都不能正常工作。

3）有线网络对油田各设备的检修产生一定程度的障碍，一旦维修人员维修时不小心导致有线网络的连接失效，可能致使该处监控瘫痪。

因此，目前油田在数据采集及传输网络上的现状如下：

1）地域分散，各个现场网络环境复杂，存在有线和无线（如电台、GSM、GPRS/CDMA等）多种传输方式。

2）现场设备通讯接口众多，标准不统一。数据传输协议接口众多，标准不统一。

3）现场数据发送到各油田监控室成本较高，传输维护也需要较高成本。

4）对油田所属油井的生产设备进行管理监视几乎是不可能实现的。

1 系统分析

文中将传感器技术、Zigbee技术、DTU技术相融合，并辅以相应控制器克服以上组网方式或系统的局限性。本系统将油田的现场监测数据，利用上述技术构建无线传感器网络，将所有数据以Modbus协议封装，实时、安全、低成本地将数据通过移动网络传到监控中心，实现对油田现场各相关生产设备、生产数据、安全指标等信息的监测、定位、分析处理、显示、警示和控制。

传统的传感器网络采用的是定时传输模式，也就是说，终端设备定时的采集数据，并最终将数据传输到上位机。平时终端设备为了节省功耗，进入睡眠模式，直至睡眠定时器将其唤醒。这样的方法虽然节省了系统功耗，以无线传感器网络代替了人工数据采集，但是却不利于工业现场的实时监控。

鉴于此，文中提出在定时唤醒终端设备进行采集的基础上，加入实时监控功能。即一般情况下，终端设备定时采集现场数据并传输。当监控人员想要了解现场情况时，可通过上位机发送命令，唤醒处于睡眠设备的终端设备，通过其对命令判断，进行控制，实现现场实时监控的目的。

Zigbee无线传感器网络中涉及地址有ProfileID、PanID、IEEE地址（物理地址）、网络地址。ProfileID面向某个应用，解决一系列事务的公约，是对逻辑设备及其接口关系的描述集合。PanID是指用一个16位的个域网标志符，来标识唯一的网络。IEEE地址是64位由制造商或者被安装时设置的地址，它是全球唯一的地址，设备将在它的生命周期中一直拥有。网络地址是指无线网络在建立后分配给入网设备的16位地址。

工业无线网络中通常使用Modbus协议设备地址与Zigbee网络地址建立映射表[3]或者Modbus协议设备地址与Zigbee物理地址建立映射表[4]，这样的方法只适用于单个无线网络。但是，油田现场相邻油井距离动辄几千米，而传感器网络再加入功放器件后，距离最大为1.5 km，很明显独立无线网络是远远不能达到达到目的，而且每个油田所管理的油井成百上千，Modbus协议8位设备地址容量不够。这样的话，必须使用单个传感器网络覆盖单个油井的方法，再通过DTU与监控室上位机连接。关键点是要建立传感器网络与上位机油水井号之间的地址映射表，以便实现对应油气水井的监控。

不同Zigbee无线传感网络是通过它们的PanID来区分的，一个PanID对应一个无线网络，PanID不同网络无法通信。PanID是通过f8wConfig.cfg文件中的 DZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置的，范围为0x0000—0x3FFF，通过zb_GetDeviceInfo（ZB_INFO _PAN_ID，&pan_id）函数读取。在上位机建立PanID与油气水井号之间的地址映射列表。

上位机通过调用上述地址映射列表找到相应油水井所处的网线网络PanID号，并发送相应命令给油井现场主控制器，主控制器按照命令进行相应控制，并将结果连同所在PanID反馈给上位机，上位机再通过列表找到对应的油水井并显示数据。

由于油水井所要控制的设备较少，现场主控制器接收到命令后，以广播的方式将命令通过无线网络发送，现场数据采用Modbus协议封装。对具体哪个设备的控制判断，通过Modbus数据格式中包含的设备地址，在终端设备中进行判断。不再采用前文所说的传统单个无线传感器网络数据传输方法 （通过64位物理地址或16位网络地址与Modbus协议设备地址建立地址映射列表，向对应设备发送命令时要查表找到设备地址对应的物理地址或网络地址，才能发送命令）。这样的方法不仅大大简化了系统的复杂度，节约了射频单片机内存，有利于大规模设备生产，同时功耗方面也相差不大。

2 系统方案

2.1 总体设计方案

整个系统由Zigbee终端设备模块、网关模块、RTU模块、DTU模块以及上位机人机界面软件模块5个部分构成。鉴于目前油田数据传输协议较多，给模块之间、设备之间互联造成困难，所以本系统油井现场所有数据均采用Modbus传输协议格式，方便系统联调。

图1 系统结构图

Zigbee终端设备模块与网关模块构Zigbee无线传感器网络。网关中含有RTM部分 （附加功能）和Zigbee协调器部分，他们之间通过RS232进行数据传输。因为RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长传输距离和多站能力等优点，所以RTM部分通过485总线与RTU模块相连，受RTU控制可进行无线数据采集和有线数据采集的选择（附加功能）。DTU也经过485总线受RTU控制。操作工人可通过上位机发送命令，命令经由移动网络传到DTU模块，DTU模块将数据传给RTU模块，RTU模块再控制Zigbee网络进行数据采集，采集油井现场油温、油压等数据。然后将采集的数据经由上述路径反向传递给上位机，由此达到对油田现场实时监控的目的。

2.2 射频芯片的选择与介绍

Zigbee技术是基于小型无线网络而开发的通信协议。它在OSI七层参考模型的基础上，结合无线网络特点，采用分层思想实现。广泛用于工业控制、智能家居、医学等诸多领域[5]。目前，市场上性能较好的Zigbee解决方案[6]主要有下面几种：1）freescale：MC1319X平台；2）TI：SOC解决方案 CC2530；3）Ember：EM250 zigbee系统晶片及 EM260网络处理器；4）Jennic：JN5121芯片。

以美国TI公司CC2430/CC2530芯片为代表的Zigbee SOC解决方案在国内高校企业掀起了一股Zigbee技术应用的热潮。CC2530芯片外形尺寸小，不占电路板容量，结合了领先的RF收发器的优良性能，整合了符合2.4 GHz IEEE 802.15.4无线收发模块，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM，12位模数转换器 （ADC），4个定时器，128位密钥AES加密/解密内核，两个UART（其中一个可配置为SPI），以及21个可编程I/O管脚，能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点，非常适合低功耗低成本项目开发[7]。与TI公司早期的CC2430芯片相比，CC2530在其基础上，加大了缓存，从而使用户不用因为存储容量小而对代码进行限制，通讯距离更远，不用外加功放来扩展距离。所以本系统采用的 Zigbee无线网络芯片为CC2530。

3 系统构成

智慧油田无线通信系统由Zigbee终端设备模块、网关模块、RTU模块、DTU模块以及上位机人机界面软件模块5个部分构成。

3.1 Zigbee终端设备模块

Zigbee终端设备由传感器和CC2530电路构成[8]。主要实现加入Zigbee无线网络功能，控制传感器数据采集功能以及对协调器发送的命令格式进行判断的功能。也就是说Zigbee协调器发送命令，终端设备接收后，进行判断，命令是否为Modbus数据格式，是否是对本设备的控制命令，如果判断正确，控制传感器进行数据采集。

图2 终端设备结构功能图

根据ADS仿真图（图3）可以看出CC2530的IO口RF_P和RF_N端在2.45 GHz处反射系数相同，说明芯片处差分信号端口在该频率下效果最好，所以信道选择与仿真实现上参考该处频率。而天线端口处smith图显示，在2.45 GHz时天线阻抗与50 Ohm不匹配（Z0为50 Ohm），这造成信号传输过程中能量损耗。

图3 巴伦电路反射系数图

进行阻抗匹配，由于在2.4 GHz处天线端口属于容性，所以在电路中串联电感，并进行相应的滤波处理，并在ADS上仿真，得到相应smith原图，根据仿真图4可知在2.4 GHz时电路阻抗与50 Ohm基本匹配。

图4 匹配电路smith圆图

CC2530自带8路7—12位的ADC，使用12位ADC满足精度要求，故而没有另外使用精度更高的ADC，节省电路板空间。由于CC2530芯片包含一个SPI通信接口，这也给另加高精度ADC后对其控制提供了可能。传感器将采集到的油温、油压等数据发送给网关。

由于本系统所用射频电路信号为2.4 GHz，信号频率高，波长较短，PCB板在设计时射频部分尺寸应尽量减小。在差分信号转变为单端信号电路（即不平衡状态与平衡状态转换巴伦电路）器件摆放时，应尽量使差分信号部分电路器件保持对称。由于电路板每一个过孔会带来10 pF电容效应，所以采用菱形过孔，避免其对信号带来的干扰，并且选择最小过孔尺寸（减小过孔寄生电容）。在顶层射频电路对应的底层板不应放置任何器件。最终的PCB图如图5所示。最关键的是为了降低回损，传输线拐角应采用45度角。

图5 Zigbee终端设备PCB图

3.2 网关模块

网管模块包括两个部分：RTM和Zigbee协调器。Zigbee协调器部分由CC2530射频电路组成，主要负责Zigbee无线网络的组建，网络的管理和维护。接收到命令后Zigbee协调器以广播的方式将命令通过网络发送。

网关模块的另一部分为RTM。这个部分的加入是为了与RTU模块通过485总线进行通信，以及为了满足客户提出的附加功能有线数据采集的实现。该部分采用STM32F103RC芯片，该芯片拥有ARM公司高性能“Cortex-M3”内核，4 Mb/s的UART，1 μs的双12位ADC以及其它丰富的接口。在RTM部分中主要实现的是无线数据采集和有线数据采集命令的判断。其与Zigbee协调器通过RS232进行通信。

图6 网关结构功能图

网关与终端设备实现数据通信最关键的因素是实现它们应用层之间信息流的绑定。绑定实际上就是两个节点在应用层上建立起来的一条逻辑链路，以实现在目标设备地址未知的情况下，向目标节点发送数据的目的。

在zstack协议中实现绑定功能有4种模式，但是根据油田现场为无线监控，应避免手动按键中断模式，所以采用match模式，即协调器调用zb_Allow Bind（uint8 timeout）函数将其状态设置为允许绑定，终端设备可通过zb_BindDevice（）函数发送绑定请求，以此来实现协调器与终端设备的绑定。这样的方法不需要别人帮忙，只要在网络中的节点互相之间就可以实现，但是前提是他们一定要匹配，即一方的outcluster（输出簇id）至少有一个是另外一方的incluster（输入簇id），这种方式在很多时候用起来比较方便。

3.3 RTU模块

系统研制均采用嵌入式 ARM9处理器AT91SAM9263实现，内核程序设计在嵌入式LINUX系统下完成，使多个程序同时并独立地运行，包含3路485接口[9]。3路485接口中，一路为网关模块接口使用，一路为DTU模块接口使用，另一路为扩展接口。

3.4 DTU模块

数据传输单元DTU，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备[10]。本系统应用的DTU为GPRS技术与串口通信的结合。将上位机的控制命令转换为串口数据，或者将RTU传输的采集数据通过移动网络传给上位机。

3.5 上位机监控界面

上位机监控界面（如图7）采用层次与模块设计相结合的结构，以RESTful中心的总体平台架构。保证实现过程中每层实现的相对独立性。

图7 油水井生产实时监控系统

其关键是软网关的实现。软网关既是局部网络的中央枢纽，又是沟通局部网络内外的桥梁[16]。从技术角度讲，其对上既要通过HTTP或者COAP标准接口同平台进行交互，实现与网络内部设备通信的接口，对下通过标准的服务接口同本地应用和设备进行交互，实现接入外网的接口。对于软网关设计，基于OSGi和REST实现，使用精炼、可重用和协作的组件构建的标准化原语，这些组件能够方便地组装进一个应用和进行动态热插拔的部署。

服务平台的众多物联对象也不是需要始终在线的长联，而是在需要进行数据传输时保证有效连接，数据传输完毕即可断开长联，平台采用唤醒技术来控制网络的连接。建立连接后，通过发送控制命令读取现场采集的油、水、气井数据，并在界面上显示如图8所示。

图8 抽油机单井综合数据图

4 结束语

根据现场的情况，油气水井的数据采集设备往往是区域分布的，具有区域集中的特点。本系统采用Zigbee无线传感器网络避免了现场布线困难的问题[17]，提升了灵活性，统一了数据传输格式，使各模块衔接更加紧密，节约了成本，能够更好的适应油田现场，及时的将数据上传给监控室上位机，由上位机来进行实时分析、控制。

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Based on the Zigbee wireless communication network monitoring system of oil and gas wells

LI Jun-jie1，SUN Wei2，WANG Yu-feng2，SONG Song2，CAO Xu-dong1
（1.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2.Data Center of North China Oil Field，Renqiu 062552，China）

Condition monitoring of oil and gas Wells is one of the important safeguards of oil field safety in production.Based on the Internet of things technology in the oil field and embedded technology，we put forward using Zigbee wireless local area network and DTU module to build a wireless data acquisition and transmission network，with ARM9 embedded computer as the core unit，using the OSGi and REST for dynamic hotplug of PC soft gateway，on this account we complete monitoring system of the whole oil and gas Wells.At present，we have implemented the system prototype，through the field experiment shows that this system has stable performance，and all indicators are up to par.

Zigbee；DTU；soft gateway；monitoring system

TN914

：A

：1674-6236（2017）08-0050-05

2016-07-08稿件编号：201607068

国家发改委下一代互联网技术在智慧油田的应用示范项目（CNGI-12-03-043）

李俊杰（1989—），男，山东潍坊人，硕士。研究方向：油田信息与通信技术。