無線傳感器網(wǎng)絡在油田中的應用

摘要：設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡理論的油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡分為2級網(wǎng)絡結構，現(xiàn)場層次由能自組網(wǎng)、自恢復的ZigBee樹形網(wǎng)絡實現(xiàn)。普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)發(fā)送到小區(qū)中心節(jié)點，中心節(jié)點通過GPRS或CDMA網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程的數(shù)據(jù)服務器。針對野外節(jié)點工作，設計了高效率的DC／DC轉換電路和快速動態(tài)電源路徑選擇電路，低功耗的RF工作電路。實驗表明，該系統(tǒng)能夠滿足工作需要。
關鍵詞：數(shù)字油田；無線傳感器網(wǎng)絡；動態(tài)電源路徑規(guī)劃；RF工作電路

0 引言
隨著石油資源逐漸開采，可用油資源日益緊缺，并且隨著人類社會經(jīng)濟發(fā)展，石油消耗量日益增大。在這樣的形勢下，對現(xiàn)有石油資源進行科學采集、提高開采利用率顯得愈發(fā)重要。
普通采油廠一般由多口油井、計量站、管匯閥組、轉油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其他分散設施組成，整個采油廠的各種設施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)(主要有溫度、壓力、流量等)直接關系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質量。
數(shù)字油田是將油田中所有的事物(盆地、地面、井中、油藏)全部抽象為邏輯數(shù)字，通過高性能計算機多元異構的全面處理(運算、模擬、建設平臺和存儲)，從而可以對油田地上、地下做完整的表征和直觀的展示。也就是說能夠用數(shù)字展示和表述全部油田事物的現(xiàn)代化高新技術。其實質是，數(shù)據(jù)轉化信息，信息轉化知識，以信息作為技術為油田服務，從而尋找到新的油藏和油田以及提高油氣的采收率。
對石油采集、運輸和存儲等環(huán)節(jié)的眾多參數(shù)實時監(jiān)控，是實施數(shù)字油田的一個重要組成部分，為生產(chǎn)人員掌握采油設備的運行狀態(tài)，為監(jiān)控油井生產(chǎn)異常、監(jiān)控油井產(chǎn)量、運輸防盜和存儲防盜防漏等科學決策提供重要參考。
將如此諸多參數(shù)傳送到油田監(jiān)控中心，需要構建一個效率高、響應快、費用低的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。本文針對油田實際需求及現(xiàn)場特點，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡理念的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡構建方案。
無線傳感器網(wǎng)絡技術是近幾年提出的一種新興技術，基于近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無線通信技術，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。這種網(wǎng)絡的特點是在現(xiàn)場自動建立網(wǎng)絡路由、能自組織，在某些節(jié)點失去功能網(wǎng)絡自動恢復，適合
于野外環(huán)境下作長時間工作的無人值守觀測網(wǎng)絡及自動化執(zhí)行網(wǎng)絡。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡
1．1 網(wǎng)絡結構
在現(xiàn)有的自動化油田數(shù)據(jù)采集傳輸方案中，為一臺主控設備通過有線接載多路傳感器，進行數(shù)據(jù)采集，收集各路數(shù)據(jù)之后，通過GPRS或CDMA信道傳送至數(shù)據(jù)中心，這種網(wǎng)絡結構要求每臺抽油機或其他設備均通過GPRS或CDMA傳輸。在本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡中，其基本結構由兩個層次網(wǎng)絡構建而成，第一層網(wǎng)絡是一個采油井區(qū)范圍內，構建一個本地的無線傳輸網(wǎng)絡，所有的數(shù)據(jù)匯總至井區(qū)的中心；第二層網(wǎng)絡是各井區(qū)的中心，通過GPRS或CDMA方式再傳送至整個油田的數(shù)據(jù)中心。
采用兩級網(wǎng)絡方式，將具有以下優(yōu)勢，
(1)減少有線布設，降低線纜及其施工費用，也降低了現(xiàn)場設備安裝的復雜度；
(2)減少了GPRS或CDMA通信節(jié)點數(shù)目，將有效降低設備運營產(chǎn)生的通信費用；
本文提出的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結構將網(wǎng)絡分為兩個層次，每個工作小區(qū)現(xiàn)場布設普通節(jié)點和小區(qū)中心節(jié)點，小區(qū)中心為整個小區(qū)傳感網(wǎng)絡的中心，收集數(shù)據(jù)或轉達命令，其通過現(xiàn)有的GPRS(CDMA)網(wǎng)絡和架設在機房的服務器聯(lián)系，由于第二層次和既有設計一樣，下面將重點討論第一層次的設計。
1．2 網(wǎng)絡拓撲結構
目前無線自組織網(wǎng)絡結構主要有星型、樹形和MESH等三種。這三種網(wǎng)絡各有特點，適應于不同的應用場景下。
油田應用中，所有節(jié)點將數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點，中心節(jié)點向工作節(jié)點發(fā)布命令，工作節(jié)點之間沒有進行應用數(shù)據(jù)通信的要求。在此條件下，應該采用樹形結構。
1．3 網(wǎng)絡路由建立
節(jié)點開機后，首先發(fā)出廣播信息，尋找網(wǎng)絡，就近收到的節(jié)點作出響應，并將節(jié)點的加入請求回送給中心點，中心點根據(jù)最短路由依據(jù)，僅對其中一條請求(如果有多條的話)做出回應，并分配網(wǎng)內地址，長度為2 B，自后，即以此短地址作為網(wǎng)內通信時用的識別碼。字節(jié)收
到中心節(jié)點的加入網(wǎng)絡許可后，即跳出加入網(wǎng)絡模式，進入正常工作模式。
數(shù)據(jù)傳輸采用Trans-ACK模式，即每發(fā)送一個包，采用端對端的應答機制，以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定；數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后，最多允許3次重傳，如果3次重傳失敗，則宣告節(jié)點與網(wǎng)絡失去聯(lián)系，進而重新執(zhí)行加入網(wǎng)絡過程。

2 網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計
2．1 節(jié)點硬件結構
第一層次中小區(qū)中心結構如圖1所示，與普通節(jié)點間差別是沒有安裝GPRS(CDMA)模塊，即小區(qū)中心節(jié)點同時也具有完備的普通節(jié)點的采集數(shù)據(jù)和動作控制能力。除此之外，它們的太陽能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。