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ZigBee无线传感器网络技能在油田信息搜集体系中的运用
| 发布时间: 2022-09-24 05:11:01 来源:亚博游戏下载 | | 分享到:

  跟着“数字油田”建造的不断推动,油田信息化建造得到了很大开展。各种出产信息体系的树立极大当地便了技能人员的日常作业,提高了安全出产的功率。数据自动化搜集、信息处理将是建造“数字油田”甚至“智能油田”的必然趋势。近些年,各种

  无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技能是运用安置在无人值守的监控区域内具有通讯和运算才能的传感器节点,自主完成对检测目标的信息搜集、感知等指定使命的技能。无线传感器网络是集传感器技能、通讯技能、嵌入式核算和分布式处理技能为一体,特别适合于油田点多面广的运用场合。

  以油田A为例,需为出产设备相对会集的“井群”规划无线口油井(浅黄色符号)和21口注水井(深绿色符号)。

  针对现场需求和ZigBee无线传感器网络技能,考虑将温压仪、示功仪、双压仪节点作为“终端(End Device)”,担任搜集信息以监控油田出产设备,用电池供电;中转节点作为“路由(Router)”转发网络中的信息;“和谐器(Co-ordinator)”则装置在各区块的渠道上,并经过终端机与队部中控室通讯。路由和和谐器均由市电供电。这样就将5个油井区块划分为5个和谐器短地址不同的ZigBee网络。主站(和谐器)担任发动网络,一切终端经过路由接入网络,组成树状或网状结构。上位机经过主站及其网络便可完成指令的下发和数据的读取。

  经过Google Earth和现场丈量,一般油井之间的距离在50米至100米。经测验,ZigBee节点间较大数据量(功图数据,约为1 KB)的最大安稳通讯距离在50米左右,距离越远传输作用越差,且通讯时节点传输信道之间须尽可能无遮挡。因而牢靠传输的关键在于“路由”型节点的合理安置。一同需处理两个问题:一是因现场比较空阔,要确保“路由”型节点的装置方位能供给牢靠供电并满意防汛要求;二是在软件规划上,经过“路由”型节点通明传输的数据一旦丢掉,则无法经过协议栈捕获,而必须在数据接纳端由上位机来判别。

  依据上述考虑,温压仪、示功仪、双压仪作为“终端”节点,中转节点由本来的“路由”节点改为“和谐器”,并与电量仪一同装置在油井渠道的电机控制柜中。即每个油井渠道运用(或多个共用)一个中转节点,每个中转节点即代表一个独立的个人局域网(PAN),其邻近的终端型节点为其子节点。中转节点又作为网关,以433 MHz无线 MHz数传模块)进行通讯,当然5个区块的433 MHz频道各不相同,每个区块作为一个独立的网络,各网络间互不搅扰。

  归纳节点规划的各种需求,挑选Jennic的JN5139模块作为节点的主控芯片,它是一款适用于IEEE802.15.4和ZigBee运用环境的低功耗、低本钱微控制器,集成了32位RISC处理器(32MIPS)、2.4 GHz IEEE802.15.4无线kB RAM以及丰厚的模仿数字外围接口。节点硬件结构如图3所示。

  传感器模块包含传感器和信号调制电路,示功仪传感器为加速度ADXL202和载荷CLYB10M/15t,温压仪包含温度PT100和压力Honey well C13L型传感器,双压仪的压力传感器相同挑选Honeywell C13系列。“示功仪搜集的载荷”(或压力)、“温压仪搜集的温度和压力”以及“双压仪需求搜集的压力”对应的四种传感器的原理根本相同,根本电路都是带有特别(热敏或压敏)电阻的电阻桥,由物理量改变引发电阻改变,导致电路输出电压的改变,输出电压视传感器从几毫伏到上百毫伏不等。JN5139芯片带有4路12位ADC通道,对应的模仿电压值规模为0~2.4 V。传感器到芯片ADC引脚之间用运算扩大器对电压信号进行扩大,合理调理扩大倍数,使得运放输出的电压在2.2 V左右,即留有必定裕量。时钟模块选用DS1302芯片,依据其时刻值,程序建议搜集和记载数据。电源模块也视节点而不同终端节点包含4 000 mAh锂电池、太阳能板及其充电电路。

  中转节点配有与传感器节点相同的主控芯片,具有IEEE802.15.4协议规则的一切功用与特性,担任树立网络、办理传感器节点、贮存传感器节点信息,为音讯进行路由挑选等功用。别的增加无线串口通讯模块与办理控制中心进行通讯,中转节点硬件结构如图4所示。

  中转节点经过电量仪设备读取电机的电参量,由AC220V供电,433 MHz串口透传模块运用SM55D无线串口通讯模块。与电量仪选用RS485接口进行数据通讯。JN5139模块有两路UART接口,故将中转节点JN5139模块的UART1经过UARTRS485接口芯片与电量仪RS485接口相连。

  体系软件首要包含传感器节点软件规划、中转节点软件规划和办理控制中心软件规划3部分。传感器节点首要完成数据的搜集和发送;中转节点一方面担任网络的装备和办理,另一方面搜集各个传感器节点发送的数据,将数据处理后转发给办理控制中心。办理控制中心首要完成数据的贮存、实时显现及数据剖析与办理等功用。

  传感器节点程序的首要使命分为“搜集数据”和“网络呼应”,前者是依照给定的时刻距离守时采样,后者则包含“无线数据协议指令呼应”和“ZigBee网络协议栈事情处理”(包含入网、掉网等),选用中止处理方法。考虑片上体系(SOC)的单使命特性,能够将节点程序规划成“使命查看制”每次从休眠中醒来,初始化后,判别是否要进行网络呼应,或依据时钟时刻判别是否有搜集使命,若闲暇则进入休眠,休眠必守时刻距离后再次被唤醒,如此重复。

  为了能选用使节点功耗更低的无内存驻留的休眠方法,因而将一些重要的参量保存在flash中,并在初始化中从头加载。终端节点的软件结构流程图如图5所示。

  中转节点的使命相对简略,只需处理触发的协议栈事情、接纳和处理“网络音讯”。“网络音讯”分为来自串口通明传输设备的一级网络指令和来自二级ZigBee网络的音讯。电量仪的处理包含在“指令解析与转发”环节中。中转节点没有休眠,是不间断作业的,其软件规划流程图如图6所示。

  中转经过433 MHz串口通明传输模块“SM55D”接纳来自上位机的指令,“SM55D”会将接纳的字符供给给JN5139模块的串口(UART)0,可运用串口0的中止处理解析节点指令。

  串口0设置为每接纳一个字符便进行中止,在中止处理中将字符增加至缓冲区,待缓冲区中的字符到达解析长度的下限值时,依据指令中的节点号和功用码查表取得对应指令的指定长度S(包含CRC校验码);若字符总数N等于S,依据“网络号”进行判别,若非本PAN节点的指令,则不作任何处理,当即回来;不然进行CRC校验,关于校验经过的指令,查找表格对子节点进行地址映射,再进行下一步操作。中止处理流程图如图7:

  从图7中能够看到“CRC16校验失利”、“子节点未注册”、“指令下发失利”三种特别情况(若下发设置指令成功后,也会有特别回来信息ACK0)发生后,中转均经过发送特别ACK信息对上位机进行反应,便于设备的调试。关于ZigBee子节点设备,指令是否下发成功,中转节点可经过ZigBee协议事情获取;关于电量仪设备,依据其数据传输协议,一切指令都应有数据回来,可在指令下发的一同,发动守时器,若规则时刻内无正确数据回来,则以为指令下发失利。

  上位机只需依照节点的数据传输协议向串口写入字符,即可完成指令发送。节点的网络号和节点号,可从数据库中相应的装备表读出。上位机程序运用时钟驱动,对每个通讯区块的节点轮番下发指令并解析数据,每30分钟进行一次。

  在对子节点下发指令后,即侦听对应串口,解析其433MHz模块接纳到的字符,依据开始/终止符“0x7E”提取数据,找到数据中字符0x 7D”并抛除,并对这以后的字符进行转义,即再与“0x20”按位异或。对得到的数据包进行CRC16校验,校验经往后的数据按节点类型进行数据解析和相应操作。操作流程图如图8所示。

  经过传感器节点、中转节点组成的无线传感器网络,完成了油田出产信息的搜集、传输与处理。习惯了油田点多面广的运用需求,一同也降低了组网、布置和保护本钱。作为油田出产信息体系数据获取的一种有用技能手段,无线传感器网络具有很好的运用远景。