基于ZigBee的油井无线数据采集系统的设计

　　据了解，一个油田的生产组织结构非常复杂，一个油田的采油场由多口油井以及其他分散设施组成。鉴于油井数量众多，而且分布的范围也由几十平方公里扩展到上百平方公里，交通条件往往十分恶劣，而且自然环境也十分恶劣，昼夜温差极大，直接导致对井口数据采集以及对现场监测的工作难度增加。后来随着技术的发展，出现了应用GPRS，GSM，蓝牙(Bluetooth)技术来采集这些数据的方法，但是经过一些油田的使用发现也存在一些问题。例如这些设备造价昂贵，维护和运营费用高。针对此种情况，本文采用了ZigBee技术来设计了一个无线传感器网络系统来实现油田数据的采集以及监控管理。

　　1 网络系统架构、通信协议和节点布置

　　油井无线数据采集的网络架构图如图1所示。

　　1.1 网络系统架构

　　1)单个油井的无线传感器网络 这一小的无线网络主要由布置在油井各位置的无线传感器组成，主要采集油井的脉冲、载荷、出油口的温度和压力。无线传感器由相应的传感器结合ZigBee模块开发，无线通讯距离小于100 m，传感器和油井的数据采集控制器之间互相组成了ZigBee网络。全部的数据最终集中到数据采集器中进行处理和计算，然后数据将通过另一无线网络上传。

　　2)油井间的无线网络 这一网络由油井间的数据集中控制器组成，数据集中控制器在系统中充当了网关的功能，将单个油井的数据进行整理后再通过油井间的无线网络上传到监控中心。数据集中控制器采用短距离的无线模块(通讯距离小于100 m)结合大功率无线模块(通讯距离小于1 000 m)开发，实现了传感器数据的跨网段传输。

　　3)监控中心 监控中心采用相应的PC服务器和数据库系统对数据进行分析和存储。管理人员可以随时了解各油井的工作情况和产量。

　　1.2 通信协议

　　IEEE 802.15.4规定ZigBee协议的帧结构由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和5部分构成，其格式如图2所示。

　　“数据模式”、“目的地址”、“数据长度”各占用一个字节。其中，“目的地址”表示此帧要发送的目的位置，即网络节点号;“数据长度”表示该帧中数据信息的长度;“数据信息”表示要传送的命令或有效数据，它所占用的字节数由所发送的数据长度决定;“校验和”也占用一个字节。

　　油田数据采集系统的通信协议结构是建立在IEEE802.15.4规定的ZigBee协议的基础之上的，仅对其中的“数据信息”字段部分进行设计。将“数据信息”字段划分为“节点信息”、“功能编码”、“数据”3部分，如图3所示。