基于ZigBee和WiFi的油田无线监测系统设计

曹庆年，刘 畅，孟开元

(西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065)

基于ZigBee和WiFi的油田无线监测系统设计

曹庆年，刘 畅，孟开元

(西安石油大学 计算机学院，陕西 西安 710065)

针对油田数据的采集监测及远程应用的需求，提出了一种用于油田的无线网络系统。该系统将ZigBee技术与WiFi技术相结合，实现监测信息的无线传输；传感节点以XBee PRO S2B 为主控芯片，通过电量、压力、载荷、位移、温度传感器实时采集项目数据，采集到的数据通过ZigBee网络传至ZigBee-WiFi中继转换器转送至WiFi网络，转换器既作为ZigBee网络的协调器，又作为WiFi网络的节点；通过ZigBee网络与WiFi网络的结合，数据可以在移动手持设备上显示并并进行分析。系统实现了油田的远程监测、2种通信技术的转换及低功耗、高速率数据传输，使油田数据的采集更加方便、灵活。

油田监测系统；无线网络；数据采集；ZigBee；WiFi；中继转换器

目前，国内油田自动化监控系统多采用有线传输方式，ZigBee与以太网相结合的方式在野外环境下，不仅成本高昂、布线繁杂，且数据采集的可靠性和稳定性也得不到保证，给实时处理带来很大的不便。并且，国内的转换器主要实现无线与有线的相互转换，例如博控自动化技术有限公司的ZigBee无线网关GW400，利用ZigBee技术实现数据的无线接收，能够结合GPRS扩展通信距离；玺玛克(深圳)智能科技有限公司生产的 ZigBee 无线转换器，可以实现将 485 信号转换为无线网络信号，在没有干扰的情况下，通信距离可以达到 2 km，比较适合于布线施工不方便的地方和容易遭受雷击的室外场所[1]。基于有线到无线或者无线到有线的工作方式，单井数据及示功信息都是通过上位机或油井的示功仪显示，但这对于边远的单井则不太适用。本文将ZigBee技术和WiFi技术相结合，设计了ZigBee-WiFi中继转换器作为系统的核心硬件模块，完成ZigBee网络与WiFi网络的无缝转接，实现监测数据从终端设备到移动手持设备的可靠传输。手持设备端利用Java语言在Android操作系统平台下编写数据采集应用程序，完成单井相关数据的采集以及示功图的显示。油田工作人员只需携带ZigBee-WiFi中继转换器与移动终端到生产现场，可以实时采集数据，这既最大程度实现了系统的低功耗，方便各级工作人员查看，更提高了油田的自动化水平。

1 油田无线网络系统的总体设计

油田无线网络系统结构设计如图1所示，系统由前端的数据发送、数据接收传输和数据采集显示3部分组成。前端的数据发送部分包括各类传感器和无线仪表；数据接收传输部分为ZigBee-WiFi中继转换器；数据采集显示部分为移动手持设备，可为平板电脑或手机。

系统先对ZigBee-WiFi中继转换器进行配置，完成ZigBee网络与WiFi网络的搭建，采用自组织组网的方式创建一个ZigBee网络和WiFi网络，首先在系统设定的时间内，等待油井中的载荷测试数据以及位移测试数据或其他抽油机相关测试数据，这些测量值经处理器换算后得到相应的可传输参数，并通过ZigBee无线射频模块传输给ZigBee-WiFi中继转换器进行数据转换和转发。当检测人员靠近油井开启手持的移动终端后，唤醒中继转换器的WiFi模块并与手持的平板电脑进行连接，而后将所采集数据进行无线传输，手持终端接收数据后，测试收到的常规数据是否正常，进行数据采集并显示示功图，分析采集的功图是否正常，然后存储在平板电脑的SD卡上。

图1 设备连接图

2 油田无线网络系统的硬件设计

2.1 ZigBee-WiFi中继转换器

系统ZigBee-WiFi中继转换器实现ZigBee网络与WiFi网络的转换，是一种建立在应用层上的协议转换器。它既作为ZigBee网络的协调器使用，完成整个ZigBee网络的搭建，又作为WiFi网络的无线节点[2]。此转换器基于RS-232的SP3232平台和ZigBee及WiFi软件协议栈，能满足低功耗、微型化、性能稳定的要求，同时又满足模块化，便于再次开发。ZigBee-WiFi中继转换器由ZigBee收发信模块、WiFi收发信模块、RS-232收发器SP3232、电压转换器TPS62056、充电器TP4056、串口、USB接口和供电模块等部分组成，主要功能为：ZigBee模块完成对前端无线传感节点发送数据的接收；WiFi模块主要是将数据以WiFi数据包格式发送给接收终端；RS-232收发器模块主要完成ZigBee数据和WiFi数据的转换，实现不同网络的数据联通；供电模块负责对主要模块的运行提供能源；串口模块为ZigBee模块和WiFi模块提供通信接口；USB模块可以与外围设备连接，在无电池情况下可以供电。中继转换器的硬件电路如图2所示。

图2 中继转换器硬件电路图

中继转换器的ZigBee模块是基于EMBER EM357芯片开发的2.4GHz的ZigBee产品。 WiFi模块选用USR-WiFi232-B，由于ZigBee模块和WiFi模块都置有UART芯片，是一个并行输入成为串行输出的芯片，属于TTL电平的串口，提供RS-232数据终端设备接口。电脑的COM口是标准的RS-232接口，当中继转换器的ZigBee模块和WiFi模块连接PC时，必须经过电平转换才可以进行通信，因此它需要一个RS-232驱动器来转换电平。ZigBee-WiFi中继转换器中必须加入串口转换电路，以此来实现ZigBee和WiFi通信。

ZigBee与WiFi转换选用SP3232，它是RS232收发器对于手持式应用的一种解决方案。工作电压为+3.0～+5.5 V，满载最小数据速率为120 kB/s,电源低至+2.7 V，ESD保护驱动使得驱动器和接收器的管脚可承受15 kV人体放电模式和IEC1000-4-2气隙放电模式。以此来实现ZigBee数据到WiFi数据的转换[3]。连接电路图如图3和图4所示。

2.2 无线传感器节点

无线传感器节点为系统中用到的不同仪表，是系统数据采集和监测机构，各节点都通过网络号和通道号寻找网络以加入，而且只有符合共同协议标准且配置相同参数的节点才能够自主地加入到此网络中。

系统的所有传感器节点都是以XBee PRO S2B为主控芯片，节点将电量、压力、载荷、温度等传感器和无线仪表的监测数据通过ZigBee发送给ZigBee网关，与此同时接收并执行ZigBee网关转发来的调控指令。

图3 RS232收发器与WiFi模块连接电路图

图4 RS232收发器与ZigBee模块连接电路图

电量传感器采用L308，用于测量电机电流、压力、功率等参数采集，自带RS232、RS485通信接口，可与变频器等其他设备实现通信。自带I/O接口，可实现对有线仪表的采集，也可实现对电机启停或其他设备的启停控制。

压力传感器采用SZ903D，用于压力采集，电池供电，可使其处于休眠模式，定期唤醒采集压力值并发送网关，可实现现场参数的显示和设定。

载荷传感器采用SZ902Z，用于抽油机示功图的采集，太阳能供电，可使其处于休眠模式，定期唤醒采集示功图，可产生仿真功图，进行仿真测试。

位移传感器采用SZ907，用于抽油机光杆的位移采集，电池供电，可使其处于休眠模式，定期唤醒采集压力值并发送网关，可实现现场参数的显示和设定。

3 油田无线网络系统的软件设计

油田项目参数被采集并通过ZigBee-WiFi中继转换器发布到网络中，油田工作人员可以通过手持设备进行实时监测。为了配套ZigBee-WiFi中继转换器通过平板电脑对仪表以及传感器进行调试及配置，需要接受并解析仪表或传感器发出的数据，并做相应的处理，因此应用Android平台的相关技术，利用Java语言设计适用于平板电脑的移动客户端，完成移动客户端的功能模块设计、数据流程设计以及数据存储设计，可以远程实现单井载荷和位移数据的采集，以示功图的形式显示，形象且准确地显示其关系，完成油田的可视化监测。

3.1 软件系统描述

3.1.1 需求概述 该软件是为了配套ZigBee-WiFi中继转换器通过平板电脑来对油田中的无线传感器和无线仪表进行调试及配置，需要接收并解析传感器和仪表发出的数据，采集出功图，并做出相应的处理，对数据进行存储。

3.1.2 运行环境 平板电脑需要满足以下参数要求：

(1)处理器速度：1.3GHz以上；

(2)系统内存：1GB以上；

(3)屏幕尺寸：7in；

(4)屏幕比例：16∶9；

(5)屏幕分辨率：1280×800；

(6)USB接口：micro USB；

(7)系统版本： android4.0以上；

(8)WiFi功能：支持。

3.2 软件总体设计

软件主要从界面模块、数据处理模块、网口通信模块、控制逻辑模块进行设计。界面模块的功能是设定自定义控件的参数和功能，模块设计包括设计每个界面的文件布局，设定自定义窗体参数，设定美化控制，设定绘制功图的自定义画布控件。数据处理模块功能包括：①通过java语言实现校验，设计采用CRC即循环冗余校验，它是校验一整个传送数据块，信息字段和校验字段的长度可以任意选定，发送方通过指定的生成多项式产生CRC码字，接收方则通过该生成多项式来验证收到的CRC码字。②解析收到的数据，解析XML文件[4]。本设计采用DOM解析XML文档，建立树形结构的方式访问，整个文档树都存在内存中，便于操作，支持删除、修改、重新排列等多种功能。网口通信模块功能是UDP网口数据收发，Java对UDP协议提供了DatagramPacket类和DatagramSocket类，用来支持数据报通信，DatagramSocket用于在程序之间建立传送数据报的通信连接，DatagramPacket用来表示一个数据报将两者结合起来使用才能完成数据报的发送和接收。控制逻辑模块功能是控制任务线程，通过线程的控制与调度可使线程在新建状态(New)、就绪状态(Runnable)、运行状态(Running)、阻塞状态(Blocked)、消亡状态(Dead)间转化[5]。软件设计总体结构如图5所示。

功图采集软件的主要功能是监测网络是否对应选择的井名，以完成对ZigBee-WiFi中继转换器的通信参数配置，之后等待载荷发送的数据，测试收到的常规数据是否正常，并采集功图，查看采集的功图是否正常，然后储存到平板电脑的SD卡中，并可测试ZigBee-WiFi中继转换器在现场的实际有效通信距离。程序流程如图6所示。

图5 软件设计总体结构图

图6 程序流程图

配置工具调试软件的主线程用来接收数据，发送线程用来发送控制指令。在人工监控的状态下，接收线程接收显示发送来的数据，工作人员确定监测指令后，将指令通过发送线程发送到指定节点上，以完成节点配置的更改和数据的接收。

4 无线网络系统实现方案

基于ZigBee和WiFi的油田无线监测系统的硬件和软件已经实现，为了完成网络的搭建，首先必须对ZigBee-WiFi中继转换器以及各终端节点的ZigBee模块进行设置。通过ZigBee厂商提供X-CTU串口将中继转换器的ZigBee模块配置成协调器，串口波特率设为9 600，将传感器及无线仪表的ZigBee模块配置成终端。配置ZigBee-WiFi中继转换器的WiFi模块需先使用平板电脑连接到模块建立的WiFi网络中，然后通过浏览器登陆到配置网页进行配置，待相应参数配置完成，重启模块。初始化配置完成后，打开平板电脑上的功图采集软件，选择对应的井名，完成通信参数的配置，之后等待发送的载荷及位移数据，查看收到的数据是否正常，并采集功图，测试采集的功图是否正常，并存到平板电脑的SD卡中，进而断开连接。等载荷通信效率降为0后，再次尝试连接，重复上述步骤，进行功图采集并分析。系统数据采集结果如图7所示。

图7 系统数据采集界面

本系统测得载荷为3 965 W，加速度为9 870 m/s2，得到抽油机光杆的载荷与位移的关系，并测得的最佳通信距离在20 m以内，为油田的安全可靠生产提供了依据。

5 结束语

基于ZigBee和WiFi的无线监测系统的设计过程中，完成了硬件平台和软件平台的设计，实现了数据的实时交互，解决了许多难点问题，如：无线仪表节点的组网，采集数据的图形显示，通信协议的设计，不同协议的转换等。最后，也验证了此监测平台对于油田数据采集的可行性和准确性。但是由于此项目工作量大，时间有限，仍然存在几个待改进和完善的方面：

(1)无线监测平台的硬件设计部分还需要进一步完善，可对中继转换器作进一步优化，在抗干扰、低功耗等方面作进一步研究。

(2)无线监测平台的软件设计部分，可在界面的优化方面进行完善，模块界面体现不同的风格，页面更加美观，提高用户体验指数；由于Android系统提供传感器功能，可以灵敏地检测到人们的肢体动作，因此，可以在应用程序中利用传感器功能来提高APP的便捷度[6]，如：可以通过摇晃手持设备进行翻页功能，也可以通过滑动屏幕进入到下一模块界面，这样对于油田测试人员来说，更加快捷和方便。

(3)由于油田地理环境恶劣，终端节点都会在不经意间逐个死亡。怎样得知死亡节点的信息是一个未解决的难题。因此，未来的一个重点工作是研究节点的死亡算法，如何准确地确定死亡节点的信息，以及如何能实时告知用户，都将在以后的研究中加以完善。

[1] 邵永刚.桥梁无线检测系统Zigbee-WiFi转换器研制[D].西安：西安科技大学,2011. SHAO Yong-gang.Design of the Wireless Bridge Monitoring System ZigBee-WiFi Convertor[D].Xi 'an ：Xi 'an university of Science and Technology,2011.

[2] 仲伟波,王婷婷,张泽武.基于ZigBee与WiFi的环境智能传感系统研制[J].农机化研究,2012(12):186-189. ZHONG Wei-bo,WANG Ting-ting,ZHANG Ze-wu.Intelligent environmental sensing system based on ZigBee and WiFi[J].Agricultural Mechanization Research,2012(12):186-189.

[3] 李泉,海保军.RS-232收发器接口芯片SP3223E/3243E的原理及应用[J].国外电子元器件,2004(9):42-44. LI Quan,HAI Bao-jun.The application of the RS-232 transceiver interface SP3223E/3243E[J].International Electronic Elements,2004(9):42-44.

[4] 宋国强.基于CAN总线的月球车控制系统研究[D].上海：上海交通大学,2008. SONG Guo-qiang.Study on Control System of Lunar Rover Based on CAN Bus[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2008.

[5] 杨晓燕.Java面向对象程序设计[M].北京：电子工业出版社，2012:269-274. YANG Xiao-yan.Object-Oriented Programming in Java[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2012:269-274.

[6] 饶润润.基于安卓操作系统的应用软件开发[D].西安:西安电子科技大学,2014. RAO Run-run.Application Software Development Based on the Android Operating System[D].Xi'an:Xidian University,2014.

责任编辑：张新宝

2014-12-25

西安市科技计划项目“无线短程网在油田应用的关键技术与理论研究”(编号：CXY1121(2))

曹庆年(1963-)，男，硕士，教授，主要从事通信工程、嵌入式系统研究。E-mail：qncao@xsyu.edu.cn

1673-064X(2015)03-0100-05

TP274+.2; TP368.1

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