基于ZigBee技术的井口数据传感器设计与实现

●　量坌堑：ｓ　ｊｉ　ｖｕ　Ｆｅｎｘ　基于ＺｉｇＢｅｅ技术的井口数据传感器设计与实现　周洋　（北京航天时空科技有限公司，北京１０００７４）　摘要：目前我国许多油田人工成本很高，多数油井采用人工巡井方式，需要大量人员维护。受主客观条件限制，人工巡井方式会导　致油井的故障被搁置、维修被延误，因此，油井自动化监测是国内油田亟需解决的问题。作为油井自动化监测系统的底层设备，无线油井　传感器负责采集和传送油井压力、温度数据，将油井工况及时准确地反馈到油田信息中心，现介绍其设计与实现方案。　关键词：ＺｉｇＢｅｅ；油井；无线传感器　１　７ｉｇＢｅｅ通讯技术　ＺｉｇＢｅｅ是工作在２．４　ＧＨｚ频段的无线通信技术，其底层基　于ＩＥＥＥＳ０２．１５．４标准，特点是双向无线通信、低速率、低复杂　度、低功耗，特别适用于工业自动化监测领域。　ＺｉｇＢｅｅ有３种网络拓扑形式：星形网络、簇形网络、网形网　络。此外，ＺｉｇＢｅｅ还有另２种更为简单的通讯方式：点对点通　讯、点对多点通讯。无线油井传感器和油井监控ＲＴＵ（远程测　控单元）相当于点对多点通讯模式，在网络架构上ＺｉｇＢｅｅ技术　符合本文应用的需求。　２系统总体方案　无线压力传感器、无线温度传感器、油井监控ＲＴＵ组成一　个单井无线监测子网。无线传感器定时采集单井压力、温度参　数，通过ＺｉｇＢｅｅ网络传送给油井监控ＲＴＵ。油井监控ＲＴＵ保　存监测数据，直到上一级无线网关查询数据，将所要数据读取　为止。多个油井监控ＲＴＵ（每个分配不同的地址）对应一个无　线网关，组成多井无线监测母网。　数据汇集到无线网关后，通过以太网口传送到油田信息中　心服务器。多个无线监测子网、母网相互组合，便实现了整个　油田的监测网络覆盖。通过油田信息中心服务器的监控软件，　工作人员可及时掌握每一口油井的工况。　３传感器硬件设计　设计无线压力传感器和无线温度传感器，分别安装在油井　井口位置，用于定时采集井口压力、温度数据，并将数据通过无　线网络发送到油井监控ＲＴＵ中。　２种无线传感器设计需满足以下要求：低功耗（电池供电）、　高精度（±０．５　ＦＳ、±０．２℃）、防护性（ＩＰ６７）、防爆性（本安加　隔爆）、通讯形式（ＺｉｇＢｅｅ）。无线传感器硬件由６个模块组成：　ＭＣＵ模块、电源管理模块、传感探头模块、放大电路模块、无线　通信模块、电池供电模块。　３．１　ＭＣＵ模块　ＭＣＵ模块是传感器核心，编程控制各模块，完成电源控　制、无线模块控制、Ａ／Ｄ模数转换、存储设置参数、存储标定数　据等任务。　ＭＣＵ模块选用Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｌａｂｓ公司的Ｃ８０５１Ｆ４１０，该芯片是　一款集成多外设的低功耗单片机，性能满足设计要求，其具有４　种工作模式：正常、空闲、挂起和停机，真１２位２００　ｋｂ／ｓ的２４　通道ＡＤＣ，低功耗（挂起和停机模式耗电仅１５０　ｎＡ）。　３．２电源管理模块　电源管理模块负责输出各模块几种不同工作电压，如　１２０　ＭＣＵ和无线通信模块工作在＋３．３　Ｖ，放大电路模块工作　在＋３．０　Ｖ，Ａ／Ｄ变换基准为＋２．５　Ｖ。电源管理模块由ＭＣＵ　管脚控制，传感器休眠时关断部分模块电源，降低平均功耗。　选用ＴＩ公司的ＴＰＳ７６９３３芯片输出＋３．３　Ｖ电压，供　ＭＣＵ模块、无线通信模块等数字电路使用。选用ＴＰＳ７６９３０　芯片输出＋３．０　Ｖ电压，供压力敏感元件、温度敏感元件和放大　电路模块使用。选用ＴＰＳ７６９２５芯片输出＋２．５　Ｖ电压，供Ａ／Ｄ　变换基准使用。　ＴＰＳ７６９××系列低压降（ＬＤＯ）电压稳压器具有压降低、　功耗超低和封装小等优点，与通常稳压器相比具有较低的跌落　电压和超低的静态电流（最大输出１００　ｍＡ时仅消耗１７　Ａ静　态电流）。该系列芯片具有输出关断功能（由引脚控制），在关　断模式下仅消耗１　Ａ静态电流。　３．３传感探头模块　（１）压力敏感元件。考虑油井工况的压力测量范围（０～　１．６　ＭＰａ）、耐压程度（承受１．５倍额定工作压力）、测量精度（小　于±０．５　ＦＳ）、环境温度影响、介质相容性、冲击振动较大等因　素，选用西安麦克公司ＭＰＭ２８１型工业级压阻式压力敏感元　件，其具有高精度（±０．１５　ＦＳ）、温度补偿、稳定性高（±０．２　ＦＳ／年）、耐腐蚀（不锈钢３１６Ｌ）等特点。　（２）温度敏感元件。铂电阻（Ｐｔｌ０００）是目前工业上应用最　广泛的一种测温元件。温度变化时，其电阻值基本呈线性变　化，接入放大电路便可把热力学温度信号转换成电压信号。选　用日本林电工的ＣＲＺ－２００５—１０００型Ｐｔｌ０００薄膜铂电阻。这种　铂热电阻用真空沉积的薄膜技术把金属铂溅射在陶瓷基片上，　膜厚在２“ｍ以内，用玻璃烧结料固定Ｎｉ（或Ｐｄ）引线，经激光　调阻制成薄膜元件。在测量温度范围内，其输出电阻值与温度　成一定的比例关系，例如，在０℃时阻值是１　０００．００　Ｑ，在　１００℃时阻值约１　３８５．００　Ｑ。　３．４放大电路模块　该模块采用差分放大电路，压力敏感元件４根引线定义依　次为＋３　Ｖ、Ｓｔ、Ｓ－－、ＧＮＤ。其中，＋３　Ｖ和ＧＮＤ为压力敏感　元件供电，Ｓ＋和Ｓ一是敏感元件的信号线，两线间ｍＶ级的电　压差信号经过差分放大电路放大，调整为０～＋２．５　Ｖ（基准电　压）的电压信号，之后进行Ａ／Ｄ模数转换。测温电路与测压电　路相类似。　３．５无线通信模块　选用ＣＥＬ公司的ＺＩＣＭ２４１０（２．４　ＧＨｚ）无线模块，其技术　参数为：工作频率２．４０５～２．４８０　ＧＨｚ；３　０００英尺无障碍传输　距离；接收灵敏度一９７　ｄＢｍ；发送功率＋６　ｄＢｒａ；工作电压　２．１～３．３　Ｖ；发送数据电流４４　ｍＡ；接收数据电流３５　ｍＡ；休眠　ｓｎｅｊ　ｕ　Ｆｅｎ×　堡　主坌堑ｌ　电流＜１“Ａ；无线通讯速率２５０　ｋｂ／ｓ、５００　ｋｂ／ｓ、１　Ｍｂ／ｓ。　标定状态程序流程：ＭＣＵ采集压力或温度最小Ａ／Ｄ值，　应用上无线模块串口与ＭＣＵ模块串口相连即可实现控　制。ＭＣＵ的ＰＯ．４口（ＴＸＤ）接无线模块的Ｐ１．０口（ＲＸＤ），　ＭＣＵ的ＰＯ．５口（ＲＸＤ）接无线模块的Ｐ１．１口（ＴＸＤ）。无线模　对于压力传感器，最小Ａ／Ｄ值是标准大气压值。之后传感器　采集最大Ａ／Ｄ值，即所测量程的最大值，如测量范围为０～　１．６　ＭＰｆｌ，最大Ａ／Ｄ值是１．６　ＭＰａ时的测量值。之后程序计算　系数，并保存到ＭＣＵ内部的ＦＬＡＳＨ中。例如：系数Ａ为　０．０００　４８４　４０８　１，保存为ＢＣＤ码Ｏ４，８４，４Ｏ，８１；系数Ｂ为　块固件版本升级到Ｖｌ＿１５后增加了硬件休眠功能。外部拉低　模块Ｐ３．０引脚至少１００　ｇｓ后，模块将在１　ｍｓ内进入休眠模　式。相比之前发送ＡＴ命令（控制模块命令进入休眠至少需要　１０　ｍｓ），进入休眠时间更短，更加省电。需要唤醒模块时，ＭＣＵ　连接的Ｉ／Ｏ管脚拉低无线模块Ｐ３．２引脚即可。　３．６电池供电模块　０．００１　５７４　３３，保存为ＢＣＤ码００，１５，７４，３３。之后设置传感器　工作参数，包括休眠周期、发射间隔、报警上下限、仪表地址。　５结语　油井自动化监测系统的实现，大大降低了油田人工成本，　提高了企业生产管理水平。　［参考文献］　［１］张琪．ＺｉｇＢｅｅ的几项应用＿Ｊ］．射频世界，２００８（３）　Ｅ２１张高群．电厂应用ＺｉｇＢｅｅ技术的前期研究［【）］．重庆大学，２００８　［３３许辉．基于ＺｉｇＢｅｅ的抽油机示功图采集ＥＤ］．东北石油大　学，２０１３　电池供电模块为无线传感器各模块提供电能，为确保在室　外长期应用，同时在无线传感器进行防爆认证时能够通过试验　测试，选用工业级锂／亚硫酰氯电池。其具有如下特点：使用温　度范围广（一５５～＋８５℃）；自放电率低（存放一年低于１　）；　长时间微电流工作（３２作年限达８～１０年）；在强制放电极端情　况下不会解体或燃烧。　４传感器软件设计　传感器主程序包含两部分，一是工作状态程序，二是标定　状态（参数设置）程序。传感器上电后，单片机进入初始化程　序，包括端口初始化、时钟初始化、中断初始化、串口初始化等。　［４１俞张辉．基于ＺｉｇＢｅｅ的智能家居控制系统研究［Ｄ］．上海师范　大学，２０１２　［５］沈建明．基于ＺｉｇＢｅｅ的温室大棚的温湿度监测系统ＥＤＩ．西安　工业大学，２０１３　程序会判断进入工作状态还是标定状态，依据是外部中断置　位。实现方法是利用磁棒与电路板上千簧管相靠近，使之导通　接地，连到干簧管的单片机外部中断管脚拉低，外部中断置位，　单片机进入中断服务程序（标定状态）。　工作状态程序流程：ＭＣＵ多次采集压力或温度变换后的　Ａ／Ｄ值，对采样值取平均数，通过公式求出压力或温度值。按　通讯协议向油井监控ＲＴＵ发送数据帧，如果传送成功，传感器　收到ＲＴＵ应答帧后立即进入休眠模式；如果传送失败，传感器　再次发送一帧数据，等待ＲＴＵ应答；如果数据帧３次传送均失　败，传感器进入休眠模式。　（上接第１１９页）　收稿日期：２０１５—０３—０６　作者简介：周洋（１９８２一），男，北京人，硕士研究生，工程师，研　究方向：硬件设计、仪器仪表。　５结语　仿真实验结果表明，在往复式活塞隔膜泵主轴的故障诊断　中，基于小波分析与功率谱的故障诊断方法是有效和可行的。　通过小波分析处理去除噪声，提高信噪比，再对去噪后的振动　信号进行功率谱分析，最后研究和分析振动信号的功率谱特征　变化情况，能够准确地得出隔膜泵主轴的运行状况。因此，基　于小波分析与功率谱的故障诊断方法对往复式活塞隔膜泵主　轴的故障诊断是具有重要意义的。　［参考文献］　［５］刘正平，王彦强．基于小波分析的滚动轴承故障诊断［Ｊ］．煤矿　机械，２０１１，３２（８）：２６６￣２６８　Ｅ６１孙晓东，权爱娟，李勇．复杂噪声背景下谐波信号频率估计新方　法［Ｊ］．吉林大学学报：工学版，２０１５，４５（２）：６５３￣６５７　Ｅ７］姚诚，刘广孚，李忠国，等．基于小波系数功率谱的潜油电泵偏　磨故障诊断ＥＪＩ．仪器仪表学报，２ｏｌｌ，３２（８）：１　７５７￣１　７６２　［８］朱习军，隋思涟，张宾，等．ＭＡＴＬＡＢ在信号与图像处理中的应　用ＥＭＪ．北京：电子工业出版社，２００９　Ｅ１３印嘉，吴建德，王晓东，等．基于ＨＨＴ的往复式隔膜泵主轴故　障诊断研究ＥＪ１．传感器与微系统，２０１３，３２（４）：５～８　Ｅ２Ｊ王磊，刘杰，刘树英．往复式活塞隔膜泵曲轴的动态特性分析　ＥＪＩ．机械设计与制造，２０１０（５）：２３８￣２４０　Ｅ３３江超．大型隔膜泵组故障诊断系统研究［Ｄ］．东北大学，２００８　Ｅ４３王龙，沈艳霞，季凌燕．基于小波降噪和ＥＭ－Ｄ方法的风力发电　系统齿轮箱故障诊断ＦＪＩ．江南大学学报：自然科学版，２０１２，１１　（２）：１５９～１６２　收稿日期：２０１５—０３—２４　作者简介：印嘉（１９８６一），男，四川成都人，硕士研究生，研究　方向：模式识别与智能系统。　机电信息２０１５年第１２期总第４３８期１２１