無(wú)線傳感器組網(wǎng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)的油田智能信息監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)踐張福生、蔣安波、楊立強(qiáng)、劉俊娜1概述油田涉及各種設(shè)備和系統(tǒng)，油井?dāng)?shù)量多且分布范圍由幾十至上百平方公里，分布比較零散，目前大多采用人工巡井方式，由人工每日定時(shí)檢查各設(shè)備運(yùn)行情況并記錄各相關(guān)數(shù)據(jù)。這種方式必然增加工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并且影響了設(shè)備監(jiān)控與采油數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。并且當(dāng)抽油機(jī)、電泵、油壓、油溫等出現(xiàn)異常時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，得不到有效監(jiān)控、防患和控制。為此，油田急需建設(shè)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的油田智能信息監(jiān)控系統(tǒng)。以實(shí)現(xiàn)智能的監(jiān)測(cè)和控制油田的油井、計(jì)量站、聯(lián)合站、油品集輸、油罐、天燃?xì)庹镜雀鞣N重要設(shè)施和油田安全生產(chǎn)場(chǎng)所，監(jiān)測(cè)、采集和匯集生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分

2、析、定位、處理和控制。該系統(tǒng)采用以ZigBee為無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)組建無(wú)線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、組態(tài)技術(shù)、音視頻監(jiān)控技術(shù)、GIS、GPS以及現(xiàn)代軟件工程理論和軟件編程方法等技術(shù)來(lái)解決行業(yè)信息化中生產(chǎn)信息的智能監(jiān)測(cè)與控制，還可應(yīng)用于各相關(guān)行業(yè)的各種信息化監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域。2、應(yīng)用背景隨著世界科技和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各種資源信息的獲取和控制傾向于自動(dòng)化、智能化，特別是具有危險(xiǎn)性、人力不方便觸及、數(shù)量巨大的設(shè)備參數(shù)控制等方面。例如：人們對(duì)石油的需求日益增大，石油資源又是一種不可再生的天然資源，加之油田企業(yè)各崗位原則上不增編的用人

3、機(jī)制，在此種條件下如何確保油田企業(yè)安全、高效穩(wěn)產(chǎn)是油田企業(yè)所面臨的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)。油田采油通常由油井、計(jì)量站、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐、天燃?xì)夤抟约坝吞锏钠渌O(shè)施組成，整個(gè)采油廠、礦、站各種生產(chǎn)設(shè)施的工作狀態(tài)及其產(chǎn)品（如水、油、氣等）的相應(yīng)數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量等）就直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及安全，而這些重要數(shù)據(jù)目前大多由人工方式每日定時(shí)檢查設(shè)備運(yùn)行情況并測(cè)量、統(tǒng)計(jì)相關(guān)各生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這種客觀條件必然使工人勞動(dòng)強(qiáng)度加重，并且影響了設(shè)備監(jiān)控與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，甚至準(zhǔn)確性，同時(shí)存在疏漏、筆誤和作假等隱患。目前，我國(guó)一些油田企業(yè)也采取一些通過(guò)諸如RS485總線形式的局域有線網(wǎng)、便攜式采集設(shè)備的方式

4、或以GSM短信息的方式達(dá)到對(duì)油井部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)之目的，一定程度上解決了上述問(wèn)題，但這些技術(shù)有較大的局限性。首先，油田各采油廠、礦、站需要監(jiān)測(cè)的設(shè)備量較大，并相對(duì)分散，有線組網(wǎng)方式布線困難，靈活性差，建設(shè)成本高，而且出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，短時(shí)間內(nèi)很難定位和排除故障點(diǎn)；其次，油田各采油廠、礦、站內(nèi)通常都有大功率的電機(jī)、泵機(jī)甚至變電站，這些設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的干擾可直接侵入網(wǎng)絡(luò)而導(dǎo)致有線網(wǎng)絡(luò)癱瘓，嚴(yán)重時(shí)周邊設(shè)備都不能正常工作；第三，有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)油田各設(shè)備的檢修產(chǎn)生一定程度的障礙，一旦維修人員維修時(shí)不小心可能導(dǎo)致有線網(wǎng)絡(luò)的物理連接失效，使有線網(wǎng)絡(luò)不能正常工作。至于便攜式采集設(shè)備，其只能解決部分生產(chǎn)設(shè)備或

5、數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測(cè)問(wèn)題，而且由于其采集時(shí)需要人工安裝到相應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備上，將相應(yīng)數(shù)據(jù)采集到便攜式設(shè)備中，需要經(jīng)常拆裝，其與生產(chǎn)設(shè)備的接口部分磨損嚴(yán)重，常出現(xiàn)接觸不良或無(wú)法連接的問(wèn)題，并且將采集來(lái)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)需要人工方式再上傳至生產(chǎn)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，仍然存在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性差和便攜式設(shè)備丟失等問(wèn)題；采用短消息的方式也存在上述問(wèn)題，即基于（GSM）的短消息（SMS）或無(wú)線分組網(wǎng)（GPRS）通信方式實(shí)現(xiàn)了僅是對(duì)油井設(shè)備的監(jiān)控，雖然解決了油田井口一些設(shè)備的監(jiān)控問(wèn)題，但仍然存在短消息滯后、丟失、GPRS掉線等通信受阻問(wèn)題，其通信設(shè)備相對(duì)于ZigBee模塊成本高、還需長(zhǎng)期繳納信息服務(wù)費(fèi)，該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和控制的安全

6、性差。 傳感器技術(shù)是一種自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域；ZigBee（802.15.4協(xié)議）技術(shù)是一種新一代的短距離雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有低成本（免執(zhí)照頻段、免專利協(xié)議）、低功耗（省電）、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、抗干擾力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)自愈力強(qiáng)的特點(diǎn)，二者融合并輔以相應(yīng)控制器可克服以上組網(wǎng)方式或系統(tǒng)的局限性，徹底實(shí)現(xiàn)油田信息的智能化監(jiān)測(cè)和控制。3、系統(tǒng)建設(shè)目的本系統(tǒng)是以克服上述缺失和局限性為基礎(chǔ)，結(jié)合并推廣了現(xiàn)有油田生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路，將油田的采油廠、礦、站中的計(jì)量站、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐、天燃?xì)夤抟约坝吞锏钠渌O(shè)施的生產(chǎn)工況、工作狀態(tài)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或信息，利用傳感

7、器技術(shù)和ZigBee技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)時(shí)、安全、低成本地將監(jiān)測(cè)和控制信息通過(guò)本地監(jiān)控中心的油田信息監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件接入油田企業(yè)現(xiàn)有的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)油田企業(yè)各相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全指標(biāo)等信息的監(jiān)測(cè)、定位、分析處理、顯示、警示和控制。4、系統(tǒng)實(shí)施原理本系統(tǒng)采用基于ZigBee通信與傳感器組網(wǎng)的行業(yè)信息監(jiān)控系統(tǒng)及其監(jiān)控方法。以無(wú)線ZigBee技術(shù)為實(shí)現(xiàn)方式之一，其中基于ZigBee與傳感器組網(wǎng)的油田信息監(jiān)控系統(tǒng)包括如下單元：監(jiān)控對(duì)象N：指油田的各采油廠、礦、站生產(chǎn)中所關(guān)注的各種生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)狀態(tài)、生產(chǎn)參數(shù)等信息，監(jiān)控對(duì)象的編號(hào)N（以下同）可以取1，2，3，n（n65000以下同）

8、的整數(shù)。如各管線（水、氣、油）的壓力、溫度、流速流量等；電機(jī)的工作電壓、電流和功率等。傳感器模塊N：對(duì)應(yīng)于被監(jiān)控對(duì)象從1n整數(shù)編號(hào)，用于檢測(cè)和識(shí)別被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)，并將識(shí)別到的各信息轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的電信號(hào)（稱數(shù)據(jù)信息）；執(zhí)行器模塊N：對(duì)應(yīng)于被監(jiān)控對(duì)象從1n整數(shù)編號(hào)，用于執(zhí)行ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)來(lái)的控制指令，對(duì)被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)施加影響，使被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)保持在系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正常狀態(tài)下；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊N：用于將傳感器模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊（X或Y），并接收來(lái)自ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊（X或Y），經(jīng)串行接口發(fā)給執(zhí)行器模塊, 同一網(wǎng)段的ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊的編號(hào)

9、X和Y可分別是1，2，3，n的整數(shù)，n通常小于65000；ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊（X或Y）：用于將來(lái)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊或鄰近ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給就近的ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊或ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊，并將來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊或ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊的控制信息發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊或ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊；ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊：用于將來(lái)自ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串行接口或以太網(wǎng)接口傳至本地監(jiān)控中心，并將本地監(jiān)控中心發(fā)出的控制信息發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊；本地監(jiān)控中心：與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊直接相連接點(diǎn)監(jiān)控服務(wù)器

10、或服務(wù)器群所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)稱本地監(jiān)控中心，其通過(guò)監(jiān)控服務(wù)器或服務(wù)器群內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件，處理和分析ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)來(lái)的油田生產(chǎn)信息，將相應(yīng)的控制信息再下達(dá)給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊，運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合并直觀地實(shí)時(shí)在大屏幕上顯示和配以聲光警示，必要時(shí)，將必要的相關(guān)信息通報(bào)異地或上級(jí)監(jiān)控中心；異地監(jiān)控中心：油田網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)中，除本地監(jiān)控中心以外的其他網(wǎng)絡(luò)均稱異地監(jiān)控中心，必要時(shí)其可通過(guò)油田現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)，與本地監(jiān)控中心聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)油田各生產(chǎn)信息的共享和交互。傳感器模塊與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊可組成一體或分體來(lái)監(jiān)測(cè)，通過(guò)串行接口連接對(duì)被監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，

11、按需將多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊、多個(gè)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊組成星形網(wǎng)、樹(shù)形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)以及它們間的組合網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的；以本地監(jiān)控中心為組網(wǎng)參考點(diǎn)，由就近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊通過(guò)串口或以太網(wǎng)接口與本地監(jiān)控中心的油田信息監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器或服務(wù)器群相連，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件（含數(shù)據(jù)庫(kù)）對(duì)油田信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、定位和監(jiān)控，遇突發(fā)事件時(shí)立即定位事件點(diǎn)并警示，對(duì)警示若無(wú)人工處置，則系統(tǒng)在一定時(shí)限內(nèi)適時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)本地相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案對(duì)事件進(jìn)行處置；重大突發(fā)事件自動(dòng)上報(bào)上級(jí)監(jiān)控中心并根據(jù)事件優(yōu)先級(jí)啟動(dòng)相應(yīng)預(yù)案；本地監(jiān)控中心通過(guò)已有的網(wǎng)絡(luò)與異地監(jiān)控中心相連，必要時(shí)與上級(jí)油田信息系統(tǒng)監(jiān)控中

12、心進(jìn)行信息交互，重大突發(fā)事件可啟動(dòng)上級(jí)應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，形成油田信息點(diǎn)、線、面相結(jié)合的智能化立體監(jiān)控體系。5、系統(tǒng)實(shí)施方法該系統(tǒng)涉及基于ZigBee的水、氣和油相關(guān)的溫度、壓力、流量等各類傳感器，為表述表述方便將其定義為監(jiān)控對(duì)象，具體實(shí)施方法如圖1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。監(jiān)控對(duì)象1：指油田的各采油廠、礦、站等油田生產(chǎn)所關(guān)心的包括但不限于諸如油井、計(jì)量站、中轉(zhuǎn)站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐、天燃?xì)夤抟约坝吞锏钠渌O(shè)施。具體例如各種生產(chǎn)設(shè)施的工作狀態(tài)及其產(chǎn)品（如水、油、氣等）的相應(yīng)數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量、流速等）；各電機(jī)的工作電壓、電流和功率、溫度等；各種重點(diǎn)安全設(shè)備或設(shè)施的安全警戒等

13、；傳感器模塊2：安裝于監(jiān)控對(duì)象1上，用于檢測(cè)和識(shí)別被監(jiān)控對(duì)象1的狀態(tài)，并將識(shí)別到的各信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊4：通過(guò)數(shù)據(jù)總線或RS232串口接收傳感器模塊2監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，將收到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊5或ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊6，并接收來(lái)自ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊5或ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊6的控制信息，同時(shí)將該控制信息發(fā)送給執(zhí)行器模塊3，通過(guò)執(zhí)行器模塊3對(duì)被監(jiān)控對(duì)象1施加影響，使被監(jiān)控對(duì)象1的各狀態(tài)保持在系統(tǒng)預(yù)設(shè)的正常狀態(tài)下；ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊5和ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊6：分別接收來(lái)自ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊4發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBe

14、e協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊7，同時(shí)接收Z(yǔ)igBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊7發(fā)出的控制信息并轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊4；ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊7：接收Z(yǔ)igBee路由節(jié)點(diǎn)模塊5或ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊6發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)串口或以太網(wǎng)接口將該數(shù)據(jù)信息發(fā)送給本地監(jiān)控中心8的工控機(jī)或服務(wù)器或服務(wù)器群，同時(shí)將監(jiān)控中心發(fā)出的控制信息發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊5或ZigBee路由節(jié)點(diǎn)模塊6；本地監(jiān)控中心8：由至少1臺(tái)工控機(jī)或服務(wù)器或服務(wù)器群以及其他設(shè)備搭建的局域網(wǎng)絡(luò)，其通過(guò)串口或以太網(wǎng)口與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊7相連，接收來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊7的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)入系統(tǒng)監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分

15、析、處理和定位，并將處置的結(jié)果以控制信息的方式發(fā)出給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊7；異地監(jiān)控中心9：油田網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)中，除本地監(jiān)控中心8以外的其他網(wǎng)絡(luò)均稱異地監(jiān)控中心9，其通過(guò)油田現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)，與本地監(jiān)控中心8聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)油田各生產(chǎn)信息的共享和交互。所有ZigBee模塊中由 CC2431芯片及其外圍電路構(gòu)成，用匯編和C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各模塊的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)油田各相關(guān)信息的共享，將搭建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與油田現(xiàn)有的信息網(wǎng)絡(luò)相連，通過(guò)各監(jiān)控中心B/S架構(gòu)、C/S架構(gòu)或二架構(gòu)相結(jié)合的系統(tǒng)監(jiān)控軟件，用逐級(jí)授權(quán)的方式安全實(shí)現(xiàn)油田信息的實(shí)時(shí)共享和交互，系統(tǒng)總體通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)涫疽鈭D見(jiàn)圖2，部分油田報(bào)表實(shí)例間附表1

16、。需明確的是ZigBee模塊無(wú)線通信的有效通信半徑是100米左右，在實(shí)施中的經(jīng)驗(yàn)是ZigBee各模塊間的最遠(yuǎn)布設(shè)距離應(yīng)小于45米，在實(shí)際復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中一旦相鄰的一個(gè)ZigBee模塊失效，則相隔此失效模塊的兩個(gè)ZigBee模塊仍能通過(guò)自動(dòng)搜尋而進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自愈和自恢復(fù)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。監(jiān)控中心平臺(tái)軟件的具體實(shí)施方式是運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、計(jì)算機(jī)自控技術(shù)、GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、三維瀏覽技術(shù)、中間件技術(shù)，以當(dāng)前主流的B/S和C/S相結(jié)合的混合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，集信息采集、監(jiān)視、監(jiān)測(cè)、控制、指揮（調(diào)度）為一體的軟件平臺(tái)。6、結(jié)束語(yǔ)通過(guò)各種傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)油田工業(yè)生產(chǎn)各重要設(shè)備或環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)與感知，結(jié)合ZigBee技術(shù)組建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，建立物聯(lián)網(wǎng)感知體系，利用本地和異地監(jiān)控中心的油田生產(chǎn)信息監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)油田各生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。具有低成本（ZigBee免執(zhí)照頻段且免專利協(xié)議）、工作時(shí)間長(zhǎng)（兩節(jié)5號(hào)電池能工作624個(gè)月）、安全性高、抗干擾力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活（拆裝方便）、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)自愈力強(qiáng)的特點(diǎn)， 并通過(guò)監(jiān)控中心管理系統(tǒng)軟件，本系統(tǒng)可有效降低油田工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，徹底解決了人工巡檢方式、短消息方式以及其他方式采集和監(jiān)控油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不足和局限性。本系統(tǒng)的監(jiān)控