谈油田ZigBee技术在油田单井自动化体系中运用

论文导读：田单井自动化系统是油井现场多参数自动采集、分析及控制的高智能化系统，是数字化油田建设的核心内容之一。文章对ZigBee无线通讯技术的工作原理及特点进行了详细论述，并对如何将ZigBee无线通讯技术应用于油井单井自动化系统进行了重点阐述。ZigBee；单井自动化系统；低功耗；终端；路由；协调者1006-0278（2013）08-189-01　
[摘要]ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的是一种短距离、低功耗的无线通信技术。它具有低功耗、低成本、低速率、近距离等特点，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。油田单井自动化系统是油井现场多参数自动采集、分析及控制的高智能化系统，是数字化油田建设的核心内容之一。文章对ZigBee无线通讯技术的工作原理及特点进行了详细论述，并对如何将ZigBee无线通讯技术应用于油井单井自动化系统进行了重点阐述。
[关键词]ZigBee；单井自动化系统；低功耗；终端；路由；协调者
1006-0278（2013）08-189-01
一、概述
传统的近距离无线数据通讯设备主要有蓝牙、WiFi和无线数传电台等，以上无线数据通讯设备为追求通讯距离和信号发射强度，在低功耗方面的指标均不尽人意，导致它们在低功耗设备上的应用极为有限。而ZigBee技术较好的解决了以上问题，使得ZigBee技术在工控场合得到广泛应用。
油井单井自动化系统结构、功能较复杂，系统内部各单元之间均采用有线方式进行数据通讯。特别是油井现场无供电条件，存在易爆气体环境，各种传感器不能采用有线供电和通讯的方案，现场施工成本高、维护困难。

二、ZigBee无线通讯技术研究

(一)ZigBee简介

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的是一种短距离、低功耗的无线通信技术。它具有低功耗、低成本、低速率、近距离等特点，主要适用于自动控制和无线远程控制领域，可以嵌入各种设备。

(二)ZigBee的特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz、868MHz和915MHz 3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：
1 低功耗：在低功耗待机模式下，干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
2 低成本：通过简化协议，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32kB代码，子功能节点少至4kB代码即可。
3 低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。
4 近距离：传输范围一般介于（10～10中国免费论文网www.7ctime.com
0）m之间，在选择发射功率型后，亦可增加到1600m。
5 短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
6 高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。

(三)ZigBee工作模式

ZigBee模块具有三种工作模式，分别是协调者、路由器和终端。协调者功能是建立Zigbee网络；路由器可向协调者路由传输终端的数据，也可发送自身设备的数据；终端可具有低功耗模式，一般用于传感器。

三、YJK-3单井自动化系统设计

(一)系统简介

单井自动化系统是油井多参数自动采集及分析、控制的高智能化系统。系统设备有：油井RTU、载荷传感器、位移传感器、电量变送器、压力变送器、温度变送器、流量计等。

(二)ZigBee系统网络拓扑图

ZigBee模块支持802.15.4和ZigBee标准协议，可以实现若干类型的网络配置：点到多点（星形）网络、树形网络和网状网络。
至于应选择哪一种网络？或者ZigBee模块能够组成什么网络？我们将ZigBee模块在应用到单井自动化系统时，跟据单井自动化系统的特点，和DiGi公司的ZigBee模块的自身性能，我们选择了树形网络。
在ZigBee网络中协调器（RTU）必须选择一个局域网络ID和通讯信道，来启动这个网络。协调器（RTU）和路由器（电量变送器）都能够让终端设备（各类传感器）加入这个网络里，并且路由网络数据。
终端设备加入网络后，它才能够通过协调器或路由器发送或接收RF数据，此时允许它加入网络的协调器或路由器就变成了它的父节点。因为终端设备能够休眠，父节论文导读：
点必须要缓冲、保持要发送到终端设备的数据包，直到终端设备能够被唤醒，可以接收数据为止。

(三)系统工作流程

终端工作方式的ZigBee模块能够进入低功耗工作模式，且唤醒与休眠的占空比可通过AT命令设置，在本方案中采用唤醒与休眠的时间比为0.025：5的方式工作，模块上电加入网络后，不断地处于唤醒与休眠的状态中工作。
具有低功耗模式的传感器（终端）大部分时间是处于休眠态（低功耗模式，自身的休眠电流由所采用的CPU系统决定），当接收到协调者（井场RTU）的唤醒命令后，设备开始正常工作。
路由器（如电量变送器）长期供电，是不具备低功耗工作模式的，因此没有特定的工作时序。路由器使用的固件类型为ZIGBEE ROUTER API遵循应用程序接口通讯协议，默认与协调者（RTU）之间通讯，通讯模式与数据包大小和终端相同。
协调者（RTU）作为单井自动化系统的集中控制节点必须长期供电，也是不具备低功耗工作模式的。协调者使用的固件类型为ZIGBEE COODINATOR API，遵循应用程序接口通讯协议，它与终端、路由器之间通讯，必须采用命令帧的方式进行通讯，数据包大小和终端、路由器相同。

四、应用效果

用ZigBee模块替代以前的有线式通讯后，单井自动化系统内各低功耗测试单元工作模式由定时主动查询模式变为被动唤醒接收模式。各低功耗测试单元CPU系统长时间处于低功耗模式，使单元平均功耗得到大幅度降低。避免在油田现场挖沟布线，大大降低了油田建设成本。
五、总结
ZigBee无线通讯技术在YJK-3单井自动化系统中的成功应用不仅使系统功能得到最大优化，同时系统的性能也得到了大幅度提升，这也成为ZigBee技术在工控领域应用的成功案例。