打通油田物联网

　　编者按：随着工业化和信息化融合的稳步推进，国内油田已经充分认识到信息化改造对提升竞争力的重要性，物联网作为信息化与工业化融合的重要途径和载体，是建设数字油田、智能油田的关键。ZigBee技术为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案，为物联网中传感器和互联网间的通信提供了优越的“桥梁”。

　　随着油田改革的深入，以及电子、通讯技术的发展，油井信息化的建设已经提上了各个油田的议事日程。

　　目前，油井的数据采集及控制在很大程度上还是靠人工完成，工人必须到现场采集包括油井示功图、油压、油温、流量以及产量等相关数据，工人劳动强度较大，而且数据的准确性、可靠性相对较低。此外，油田现场数据采集点大多存在环境恶劣、地势复杂、铺设固定通信线路成本较高的问题，因此，完善油田物联网的建设对于实现油井自动化管理，提高工作效率，保证数据采集的准确性、可靠性以及加强现场事故的应急处理能力都具有非常重要的意义。

　　油井无线传感网

　　物联网在数字油田的核心应用是油井生产远程监控系统，该系统包括油井生产数据远程采集传输系统、油井生产远程分析管理系统、油井生产远程控制系统三个子系统，通过传感器、摄像头等设备对油气井生产数据进行采集，通过传输终端把信息发送到生产管理部门，以便其对信息进行分析处理，从而掌握油井生产状况，并进行必要的远程控制。

　　目前，油井无线监控系统大多采用集群电台、GPRS/CDMA 模式，由于移动通信网关节点系统建设费用昂贵，只能覆盖在用户较集中的地方，而许多地域偏僻、人烟稀少但又需要进行监控的水利、电力、油田矿山等地区则无法覆盖到或者信号相对较差。

　　在此情况下，基于ZigBee网络的油井无线远程监测系统，可以通过在现有移动通信网络覆盖不到的盲区组建ZigBee网络，并选择在信号覆盖区域中的任意节点接入现有的移动通信网络。不仅节约了成本，而且很好地解决了采集点处在通信盲区的问题(见图)。

　　对于无线传感器网络来说，一个简洁的、容易实现的、高效的无线通信协议是其实现性能成败的关键。

　　IEEE 802.15.4标准是针对低速率无线个人局域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)的通信标准，它把低功耗、低成本作为设计的主要目标，旨在为个人或者家庭范围内的不同设备之间提供统一标准。ZigBee协议在IEEE 802.15.4标准的基础上制定了网络层、应用层及安全层，是一个完整的标准协议，已经成为无线传感器网络的国际标准协议。

　　ZigBee协议栈由应用层(APL)，包含应用支持子层(APS)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象(ZDO)、网络层(NWK)、MAC层和物理层(PHY)组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，物理层和MAC层由IEEE 802.15.4标准组织制定。各层之间通过管理实体进行网络的组建和各层的管理衔接，通过数据实体进行数据传送。

　　从实际应用的角度看，无线传感器网络在计量参数密集但数据流量不大的油井数据采集、实时监控、报警控制、矿区电子警察、水电表远程集抄、辅助应急通信等场景中表现出很好的应用优势。

　　基于ZigBee网络的油井无线远程监测该系统由基于ZigBee协议的油井无线监测网络和基于GPRS网络的远程数据中心两部分组成。

　　无线监测网络主要由现场采集节点、路由节点和网关节点组成。现场采集节点根据需要灵活放置在抽油机井设备上，实时获取抽油机的泵井电机电流、功率因数以及井口压力和温度等参数。路由节点将单个油井的监测数据进行整理，并通过ZigBee无线网络将数据以帧的形式传送至网关节点。网关节点作为协调器与各路由节点进行动态组网构建Mesh网络，在传输过程中监测的数据可能被多个路由节点处理，经过多跳后汇集到网关节点，再由网关节点传送至GPRS网络，最终将数据传送到远程的控制中心。远程数据中心通过GPRS模块获取数据，通过RS232接口上传至监控中心PC机。主控室对数据进行分析和处理后再将反馈信息传送回现场，从而实现了监控的信息化、自动化与实时性。

　　无线通信网络软件子系统用来实现对监测数据的采集和处理，并进行ZigBee和TCP/IP协议的转换，完成对数据的远程传输。监控中心软件用来实现接收和发送基于TCP协议的IP数据包，以实现GPRS终端的IP协议通信。软件利用Visual C++6.0提供的casyncsocket字库将IP地址、主机名等转换过程中涉及的许多复杂的变量类型简化成字符串和整数轻松实现socket编程通信；利用MSComm控件实现串行通信。上位机完成串口的初始化，接收下位机发送来的数据，在传输完成后关闭串口。数据接收完成后，利用软件Access2000对采集到的数据进行存储，以便对抽油机的工作状况进行分析，同时方便用户对存储的数据进行选择和查找。

　　应用ZigBee技术的油田物联网的油井无线远程监测系统表明，可对有线无法到达的区域或者有线可以达到投入成本高的区域，进行有效、实时、灵活的检测，从而构建成统一管理、数据共享的油井无线远程监测管理信息系统，极大地提高了油井设备的作业效率，并降低了网络组建和运行的成本，从更长远的角度看还降低了人力成本等，对于实现油田生产管理的信息化和自动化具有重大意义。同时，由于油井无线远程监测系统具有低功耗、低成本独特优势，以及低延迟、较长的传输距离，还可实现128位的AES 加密、高扩展性的灵活的组网方式。

　　推动多应用并举

　　目前，国内油田公司在多年全业务应用的基础上，通过对物联网的系统分析和定位，提出了“需求导向、资源整合、技术集成、快速见效、促进创新、带动产业” 的演进思路。即以油田各方面需求为导向，以应用为核心，深入挖掘物联网在油田生产和生活应用的空间；加强传感器技术、无线传感器网络技术、定位技术等物联网技术集成和资源整合，提供更多、更广泛的物联网业务应用。

　　近年来，无线传感器网络在油田物联网应用中得到了广泛应用，其油田应用领域已经从开发矿政管理、智能交通、智能建筑、智能社区等探索居民便利生活方面的物联网服务模式，开始向油气生产自动化、油气储运信息化、企业管理信息化、矿区智能化等核心生产管理领域扩展。

　　在油气生产自动化领域，利用基于ZigBee技术的无线传感器网络，使得油气井数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如炼化工厂内危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护等。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。

　　在油气储运信息化领域，内置在输油管道或输油车轮或者发动机中的传感器(比如管道液压检测系统、轮胎压力监测系统)，要求内置的无线通信器件传递信息，电池有较长的寿命(大于或等于轮胎本身的寿命)，同时无线通信能够克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。

　　在企业管理领域，借助于基于ZigBee技术的无线传感器网络，可准确而且实时地监测每个员工的位置，甚至员工血压、体温和心跳速度等健康信息。从而对监测员工的生理状态，更好的提高工作效率。

　　在矿区智能化领域，也是ZigBee技术大显身手的空间。在油田矿区可联网的设备包括电视、录像机、PC外设、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他电器等。这些电器设备引入ZigBee技术后，将大大改善人们矿区居住环境和舒适度。同时基于ZigBee技术的遥控器可实现全球漫游和无缝使用，在一定程度上进一步降低设备的生产和使用成本。(作者单位：高毅夫 中国石油勘探开发研究院； 叶铭 克拉玛依红有软件公司北京分公司；胡静 中国石油集团东方地球物理公司信息技术中心)

　　链 接

　　基于ZigBee技术的无线传感器网络的特点

　　1. 数据传输速率低。ZigBee技术的最大传输速率仅250kb/s，专注于低速率传输应用。

　　2. 设备省电，功耗极低。ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可确保两节普通电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

　　3. 通信可靠性高，数据安全。ZigBee采用了 CSMA-CA的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，通信可靠性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。

　　4. 网络自组织、自愈能力强。ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络；ZigBee网络增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

　　5. 时延短，设备接入网络快。通常时延都在15ms~30ms之间，设备接入网络和数据传送时延很短，适合实时监控应用。

　　6. 成本低廉，工作频段灵活。设备复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，可有效降低设备成本；工作频段灵活，使用的频段为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

　　7. 网络容量大。每一个网络多达65536个网络节点，网络容量极其庞大，适用大规模无线传感器网络。

　　基于ZigBee的Mesh网络特点

　　无线传感器网络的网络拓扑结构中，最复杂的拓扑结构也是最终实现的目标是Mesh网络 (Mesh Network)。ZigBee Mesh网络技术结合了来自ZigBee技术和Mesh网络技术中的许多优势，如ZigBee技术中的低功耗、电池寿命长、组网成本低、网络容量大等，还有Mesh网络技术中的多跳技术、动态路由、高可靠性等。

　　基于ZigBee的Mesh网络具有以下特点：

　　1. 该Mesh网络是一种特殊的、按接力方式传输的点到点的网络结构，其路由可自动建立和维护。

　　2. 一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。

　　3. 协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点(网关)。

　　4. 构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件(FFD)，而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件(RFD)。

　　5. ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。

　　a. AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。

　　b.当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无环回的，并避免了当Ad hoc 网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题(特别是当一个节点进入网络时)。

　　基于ZigBee网络的油井无线远程监测系统，可以通过在现有移动通信网络覆盖不到的盲区组建ZigBee网络，并选择在信号覆盖区域中的任意节点接入现有的移动通信网络。不仅节约了成本，而且很好地解决了采集点处在通信盲区的问题。

　　高毅夫 叶铭 胡静