基于ZigBee技术的油田示功参数监控系统

0 引言
随着全球经济的稳步发展，石油的在人们生产、生活中的应用越来越广，石油的需求量也与日俱增。人们对石油的生产更加关切。目前，油田现场采集、监控一般采用传感器进行数据的采集，然后将信号通过电缆传送到控制中心加以处理。油田现场所处环境偏远恶劣、地势复杂，油井分布广、数量多，铺设固定通信线路成本高、线路长、设备造价高、投资大等特点，制约了油田的生产监控。本文提出将ZigBee技术应用在油田监控中。

1 ZigBee技术简介
近年来，随着微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、传感、嵌入式计算、网络和通信等方面的飞速发展，无线传感网络(WSN)以其成本低、组网灵活、受地理环境限制少等优点，在许多领域都展示了广阔的应用前景。ZigBee技术利用全球共用的公共频率2．4GHz，具有非常显著的低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势，目前被视为替代有线监控网络最有前景的技术之一。与传统无线技术相比(见表1)，ZigBee的特点主要表现以下几个方面：
(1)低功耗。待机模式，2节AAA干电池可支持1个节点工作0．5~1年。
(2)低成本。协议大幅简化，免执照频段，免协议专利费。
(3)低速率。250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始数据吞吐率。
(4)近距离。传输范围为10～75m，提高RF发射功率，可增加到1～3km。
(5)网络容量大。采用St arNet、Me shNet和CluterTreeNet，可组成65000个节点大网。
(6)短时延。ZigBeen响应速度快，睡眠转入工作状态需15ms，节点连接入网需30ms。
(7)安全性能高。提供三级安全模式：无安全设定、接入控制清单(ACL)、防止非法获取数据及采用AES－128对称密码。

2 系统总体方案
加速度传感器、载荷传感器定时收集各井口的示功参数，在ARM处理器控制下，通过ZigBee无线模快，在IEEE802．15．4技术标准的支持下，由ZigBee网络发送到ZigBee路由器和ZigBee协调器，经卫星或GPRS网络将数据发送至控制中心，及时掌握采油现场的工作参数，实现数据的汇总、整理与分析，并及时对终端下达控制命令，调整生产。
该系统分数据采集终端、Zi gBee无线路由器、ZigBee／WN协调器、控制中心四个部分。油田监测系统架构如图1示。 图一油田监控系统架构

系统由三级WN组成，结构简单、性能稳定、易于实现。低功耗为该系统突出表现。ZigBee无线网络采用的是2．4GHz频段。该频段为全球统一无需申请的ISM频段。该频段(2．4~2．483GHz)被划为16个信道，数据传输速率250kb／s，码元速率为62．5kbaud，采用16进制正交调制，用码片长度为8的伪随机码直接扩频。GPRS传输速度为56~115Kb／s。与GPRS网络结合使用，可以满足ZigBee网络传输数据的需求，可以减少系统建设初期的投资费用，减轻网络运行维护工作量，使油井示功参数及时、准确地传送至监控中心。系统通过ZigBee和GPRS两种无线网络的连接，实现实时监控，对油田出现的问题及时发现和处理。