基于ZigBee的油井無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑒于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是在戶外工作，更換電池不太容易，且減小節(jié)點(diǎn)體積，所以采用可充電鋰離子鈕扣電池供電。一些傳感器電路的工作電流較強(qiáng)，因此應(yīng)該采用突發(fā)式工作的方式，即在需要采集數(shù)據(jù)時(shí)才打開傳感電路工作，從而降低能耗。由于一般的傳感器都不具備休眠模式，因此最方便的辦法是控制傳感器的電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對傳感器的狀態(tài)控制。對于僅需要小電池驅(qū)動(dòng)的傳感器，可以考慮直接采用MCU的I／O端口作為供電電源，這種控制方式簡單而靈活； 對于需要大電流驅(qū)動(dòng)的傳感器，宜采用漏電流較小的開關(guān)場效應(yīng)管控制傳感器的供電。

4 軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)無線通信程序包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收3個(gè)部分。發(fā)射過程由軟件寫數(shù)據(jù)到TX／RX幀緩存器，這些數(shù)據(jù)和某些參數(shù)例如目的地地址和容許重測次數(shù)一起被傳送，對協(xié)議定時(shí)器進(jìn)行編程來標(biāo)明發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)刻。這個(gè)時(shí)刻由被跟蹤協(xié)議高層的軟件所決定，一旦信息包被準(zhǔn)備好和協(xié)議定時(shí)設(shè)定好，管控方將控制其傳輸。當(dāng)信息按照預(yù)定時(shí)刻到達(dá)，管控方控制無線電和調(diào)制解調(diào)器時(shí)序來執(zhí)行需求傳輸類型。它可以按照IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)要求在沒有處理器介入(包括要求重新測試和隨機(jī)backoffs)執(zhí)行全部的工作步驟。
當(dāng)傳輸開始時(shí)，數(shù)據(jù)幀標(biāo)頭是根據(jù)軟件編排的參數(shù)而創(chuàng)立，通過將數(shù)據(jù)串行化到調(diào)制解調(diào)器發(fā)射出去。同時(shí)無線電準(zhǔn)備傳輸，在從bits-tream到調(diào)制解調(diào)器的通道中，它經(jīng)過一個(gè)CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))通過在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算的校驗(yàn)產(chǎn)生器，把它加到數(shù)據(jù)幀的末尾。
如利用跟蹤訪問，在傳輸時(shí)定位跟蹤有可能超過定時(shí)，基本頻帶處理器會(huì)自發(fā)地處理這種情況并通過中斷方式來通知協(xié)議軟件，這顯然比當(dāng)超時(shí)時(shí)再要求處理更好一點(diǎn)。
接收時(shí)，無線電接收裝置在一個(gè)特別頻道來接收。一收到來自調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀被直接轉(zhuǎn)換成TX／RX幀放在緩沖器內(nèi)，在那里幀首和數(shù)據(jù)可以被協(xié)議軟件閱讀出來。一收到幀標(biāo)題可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。正如數(shù)據(jù)幀來源于經(jīng)過校驗(yàn)發(fā)生器的調(diào)制解調(diào)器，在接收端末端的校驗(yàn)結(jié)果同整個(gè)信息末端相比較，來確定最后接收的數(shù)據(jù)是正確的。
接收過程中，Modem要確認(rèn)接收連接質(zhì)量，確保接收最后結(jié)果可利用的，讓它符合802．15．4標(biāo)準(zhǔn)要求。終端節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖6所示。

5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能測試
測試時(shí)讓兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互發(fā)數(shù)據(jù)，且兩節(jié)點(diǎn)間無任何障礙物，測試節(jié)點(diǎn)接收靈敏度。這里還需要考慮通信時(shí)延的問題，時(shí)延包括協(xié)議棧時(shí)延和空中傳播的時(shí)延，空中傳播時(shí)延可以忽略不計(jì)，因此主要考慮協(xié)議棧時(shí)延。協(xié)議棧時(shí)延從發(fā)送消息函數(shù)開始到無線目標(biāo)實(shí)際開始物理發(fā)射為止。由于條件有限，無法做出實(shí)際的結(jié)果。但是一般的情況下，協(xié)議棧發(fā)射時(shí)延約為550μs，接收時(shí)延約為600μs。

6 結(jié)論
本文利用Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套油田井口無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，成功地解決了油田井口數(shù)據(jù)采集困難的問題，實(shí)現(xiàn)了油田生產(chǎn)管理和油井、管線維護(hù)監(jiān)控的信息化、自動(dòng)化，極大地提高了工作效率，降低網(wǎng)絡(luò)組建和運(yùn)行的成本。