微波原油含水率检测仪与油田PCS通信的ZigBee实现

刘晓军 秦红杰 方浩 孟敏

1. 中石化河南油田分公司采油一厂，河南南阳 474780；2. 江苏麦赫物联网科技有限公司，江苏无锡 214603

0 前言

油田信息化管理是把生产监控作为重要手段，以完成数据采集、动态分析和自动化控制为目的，全面实现油田可视化、数字化、智能化的一种管理模式[1]。井口压力、温度、功图、位移、含水率和现场图像等数据采集是实现信息化的重要基础。

一般井口各设备数据上传过程：现场设备将数据送至RTU（Remote Terminal Unit）模块，RTU负责将数据上传到后台服务器，并将后台服务器发出的指令送到相应设备。目前井口各设备与RTU之间的连接主要分有线和无线2种方式：有线方式主要使用RS485总线；无线方式则是利用ZigBee网络。本文介绍微波原油含水率检测仪的ZigBee网络通信实现方法。

1 ZigBee技术

ZigBee是采用IEEE802.15.4的无线通信标准[2]，是一种适用于短距离和低速率下小数据量传输的无线通信技术，有低功耗、低成本、低复杂度和容纳节点多（一个网络理论上可支持65,536个）等优点[3-4]。缺点主要有：无线频率容易受到干扰；各个ZigBee厂商协议栈太多或版本不兼容，造成各种ZigBee模块不能互相通信。

针对油井来说，采集的数据基本在20 m范围之内，并且空旷，部分功耗小的设备可用电池供电，适合采用ZigBee网络进行数据传输。

2 微波原油含水率检测仪

本文介绍的原油含水率检测仪能够测量原油中0%～100%含水率。其主要特点是采用微波在线测量方式，根据原油与水介电常数的巨大差异，对比微波速度变化测算出原油含水率[5]。

3 PCS系统网络结构图

图1为PCS系统网络结构图。中心控制室与现场各种仪表设备的通信通过因特网实现，服务器和现场RTU配合工作，达到操作员与现场设备的数据透明传输、实时控制的功能。历史数据存储于服务器上，供用户随时调阅查询。图1中的通信模块用于连接到2G/4G通信基站。

4 硬件设计情况

微波原油含水率检测仪中实现信号上传的主要硬件为MCU（Micro controller Unit）和ZigBee模块。其中，MCU选用意法半导体STM32F103C8T6芯片，基于ARM Cortex-M3内核，性能强大；ZigBee模块采用厦门四信通信科技有限公司的F8913D，其遵循中石化四化标准通信协议规范SZ9-GRM V3.01，具备中继路由和终端设备功能，最长报文可达300 Bytes。MCU和F8913D的接线连接如图2所示。

F8913D和MCU有3个引脚相连：RST是模块复位脚，为防止F8913D死机，需要在程序中检测通信回应报文，当检测到3次无应答报文时，则控制此信号进行模块复位；RX是通信接收，TTL电平，连接到UART1_TX；TX是通信发送，TTL电平，连接到UART1_RX。串口通信波特率设置为9600，起始位1，数据位8，停止位1，校验位无。

5 通信实现

5.1 通信参数设置

ZigBee网络通信中有3个重要参数：网络号、信道号和地址。每个网络都有唯一的标识符PAN ID（网络号），因此，F8913D必须与RTU的协调器信道号一致。首先确定网络号和信道号，根据中石化四化标准通信协议SZ9-GRM V3.01规定确认这2个参数：将油井名称做CRC16校验，以校验码为网络ID号，信道号为ID号对16取余再加11。网络号和信道号设置到RTU协调器和检测仪中保存，地址按RTU规定设置。

5.2 数据通信

RTU和原油含水率检测仪之间的数据通信过程如图3所示。

RTU接收到常规数据后，发送常规应答，结束本次通信，仪表进入休眠。休眠时间在应答数据中体现，若RTU没有应答，仪表不做重发处理。本含水仪不休眠，按RTU给的休眠时间定时发送数据即可。

5.3 ZigBee模块命令设置

MCU对F8913D的命令设置是通过AT命令实现的，根据节点类型和通信协议确定使用表1所示命令。

其中，1至10号命令是在使用模块前由USB-TTL线通过串口设置到ZigBee模块中，11、12号命令在仪表启动后根据存储的参数进行设置[6]。

表1 AT命令使用表

5.4 ZigBee通信程序实现步骤

（1）初始化程序。程序启动时按参数中网络号和信道号对ZigBee模块进行设置；

（2）检测和处理主程序。在主程序中一旦检测到网络号或信道号参数改变，需要重新对ZigBee模块进行设置。图4显示了信道号改变处理流程，网络号处理与此类似；

图中AT命令操作部分流程逻辑采用不同标记状态来控制，减少等待时间占用MCU。串口接收发送用中断，使用定时器返回判断等待时间，在主程序大循环中，根据标记来查看串口缓冲区数据，确定本次AT命令是否返回正确；

（3）定时发送数据报文程序。MCU按休眠时间间隔周期，通过F8913D模块向RTU发送数据报文。

5.5 报文实例和解析

微波原油含水率检测仪发送报文：

00 01 A0 12 30 12 00 01 00 00 0014 00 FF 00 FE 00 FD 00 FF 01 00 03 EC 04 EE 03 EC 04 EE

斜体部分为帧头数据报文，后面为数据内容，解析方式如表2和表3所示。

用户实际使用分钟含水率，每次发送报文后收到“OK”回复；若3次接收不到，则认为ZigBee模块死机，重新启动模块。

6 结束语

软件使用Keil MDK5编制，成功实现微波原油含水率检测仪与RTU通信，将数据上传到服务器，并在油田PCS系统显示。目前设备在现场正常运行超过2年，充分验证了本方案的实用性和可靠性。先进的原油含水率测量方法与低成本、高可靠的数据通讯方式有机结合，为油田无人化监测提供了成功且有益的尝试，为今后各类石油仪表传感器智能化探索了道路。

表3 数据内容报文解释