0 引言

    隨著微電子技術(shù)、云計(jì)算、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，把無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)與石油生產(chǎn)相結(jié)合，建立數(shù)字化油田，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)或科研院所的研究焦點(diǎn)。我國(guó)石油儲(chǔ)量豐富，然而與世界上主要產(chǎn)油國(guó)家相比，數(shù)字化建設(shè)水平還有待提高。油田的勘探、鉆井、測(cè)井、錄井等野外作業(yè)流動(dòng)性強(qiáng)，點(diǎn)多、分散、距離長(zhǎng)，隨著工作面的不斷推進(jìn), 通信線路的延伸和維護(hù)變得越來(lái)越復(fù)雜, 一旦通信鏈路發(fā)生故障, 整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)就可能癱瘓, 嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性。

    ZigBee是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以免費(fèi)使用2.4 GHz的頻段，并且可以實(shí)現(xiàn)在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，這些信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端^[1-3]。油田作業(yè)地處偏遠(yuǎn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限只能做為數(shù)據(jù)采集與傳輸^[4，5]，不能將其無(wú)限拓展。為解決該問(wèn)題，本文針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，提出了一種可行性解決方案。

1 ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

    ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由ZigBee射頻系統(tǒng)電路、信息采集電路等幾個(gè)模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。信息采集電路的主要功能是完成將油田作業(yè)環(huán)境里的傳感器(如溫濕度、光強(qiáng)度、設(shè)備電壓電流值、油氣氣壓值等)采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電路能夠判斷的數(shù)電信號(hào)并傳輸給ZigBee控制器；ZigBee射頻系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析并且與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；電源電路部分是終端節(jié)點(diǎn)最需要考慮的部分，考慮到節(jié)點(diǎn)的節(jié)能、便捷等功能，一般是采用電池供電，節(jié)點(diǎn)電源采用三節(jié)1.5 V堿性電池組成，以進(jìn)一步減小體積，提高節(jié)點(diǎn)方便程度。為了提高電路板的利用率，將干電池、天線以背板的形式安放。

2 射頻系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的射頻系統(tǒng)在CC2530的基礎(chǔ)上，加上的一個(gè)天線功放RFX2401C芯片，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)的精確率、通信范圍得到一定程度的提升。配上一個(gè)9dBi的天線，理論上的通信范圍可以到一千多米。這樣的設(shè)計(jì)可以適合一些復(fù)雜的環(huán)境（如：野外、采油荒地），增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

    TI公司發(fā)布的datasheet里給出了CC2530的典型應(yīng)用圖。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)典型應(yīng)用圖設(shè)計(jì)的，電路原理圖如圖2所示。主時(shí)鐘電路中采用一個(gè)32 MHz晶振（Y2）和2個(gè)22 pF的負(fù)載電容（C13、C14），可選時(shí)鐘電路以一個(gè)32.768 kHz時(shí)鐘晶振（Y1）和2個(gè)15 pF的負(fù)載電容(C3、C4)；天線的輸入/輸出匹配采用巴倫阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，只需幾個(gè)分立電感和電容（L2、C9、L3、C12）就可實(shí)現(xiàn)；天線功放芯片的外圍電路也很少，高頻設(shè)備的電源輸入設(shè)計(jì)需要電容進(jìn)行濾波，其TXEN和RXEN引腳是發(fā)送和接收使能引腳，本設(shè)計(jì)中校仿CC2591功放接法，分別接P1_4和P1_1；天線使用50 Ω的鞭狀負(fù)極性全向天線，本系統(tǒng)的電路中必須對(duì)電源進(jìn)行去耦濾波以獲得更好的性能，在這樣的高頻電路設(shè)計(jì)中，去耦電容和濾波電感的位置、尺寸和精度對(duì)獲得最佳性能是非常關(guān)鍵的。

3 通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器設(shè)計(jì)

    ZigBee終端節(jié)點(diǎn)主要完成發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送、接收協(xié)調(diào)器的控制命令等功能^[6，7]，它是整個(gè)系統(tǒng)的感知末梢，其功耗問(wèn)題一直是人們考慮的熱點(diǎn)。由于ZigBee芯片是8051內(nèi)核，沒(méi)有多線程操作，因此在其休眠期間不會(huì)處理父節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。將終端節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)采集與節(jié)點(diǎn)休眠結(jié)合起來(lái)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集后，立刻將數(shù)據(jù)發(fā)往父節(jié)點(diǎn)，待發(fā)送成功后該節(jié)點(diǎn)采取休眠喚醒機(jī)制，進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)切斷部分電源，休眠計(jì)時(shí)時(shí)間到后，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送過(guò)程。

    終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee協(xié)議棧是通過(guò)在main（）中引入OSAL操作系統(tǒng)，然后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，由ZDO實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程，如果加入成功，在應(yīng)用層會(huì)收到ZDO_STATE_CHANGE消息，通過(guò)查找消息可以知道網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)軟件框圖如圖3所示。

4 以太網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

    為了有效觀察ZigBee遠(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)，采用Java進(jìn)行了客戶端設(shè)計(jì)，該客戶端可以實(shí)現(xiàn)油田數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與信息處理。軟件流程圖如圖4所示。

    首先要建立網(wǎng)絡(luò)連接，并通過(guò)服務(wù)器的端口形成一條虛擬的連接。通過(guò)這個(gè)連接，客戶端根據(jù)需要，可以通過(guò)向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求響應(yīng)而決定交換數(shù)據(jù)。然后將要描繪的數(shù)據(jù)存入txt文本中，調(diào)用算法工具進(jìn)行畫(huà)圖，當(dāng)交換完數(shù)據(jù)后釋放所占用的端口。上位機(jī)界面如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

    采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與Internet相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了具有無(wú)線自由組網(wǎng)功能的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮Internet在數(shù)據(jù)傳輸效率高、可靠性強(qiáng)，無(wú)線傳感網(wǎng)的自組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在提高系統(tǒng)工作效能、降低系統(tǒng)功耗及運(yùn)營(yíng)成本方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。不僅解決了通信線路的鋪設(shè)問(wèn)題，同時(shí)也解決了油田參數(shù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控的傳輸要求，更加符合數(shù)字化油田的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

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