基于ZigBee的油井信息无线采集系统的设计_杨海鹏

2013年第27卷第1期

石油仪器

PETROLEUMINSTRUMENIS

71

计算机与通讯技术

基于ZigBee的油井信息无线采集系统的设计

杨海鹏

吴傲寒

冯彦平

熊

林

赵晓兵

（长江大学电子信息学院

摘

湖北荆州）

*

要：目前油田大多采用有线方式获取油井示功图，这种方法油井现场布线复杂、数据出错率高、数据获取周期长，

不利于远程监控。文章提出了一种基于ZigBee的油井信息无线采集系统，较好的解决了这些问题。本系统结合物联网技术，每口油井拥有自己的ID，ZigBee模块将传感器采集后经过处理的信息传给井群汇集节点，再由GPRS模块传送到Internet上，供上位机下载数据。通过本设计可以准确、迅速地采集数据，可以较便利地获取油井示功图，大大节约了油井管理费用。

关键词：ZigBee，加速度传感器，载荷传感器，形态滤波算法中图法分类号：TE938+2

文献标识码：B

文章编号：1004-9134(2013）01-0071-03

0引言

然后由GPRS通讯模块上传到Internet上，供上位机

下载、存储数据，并利用油井信息解释软件处理获取油井示功图

。

机井抽油是石油生产中最重要的工艺过程之一，及时准确的油井运行资料是考察油井单位时间的产量、总体分析和把握油井区全局产能情况、合理制定油田生产方案的重要依据。传统获取油井示功图信息方式存在井区布线复杂、数据出错率高、数据获取周期长，不能及时有效解决油井监控问题。本系统的重点就是结合物联网技术，通过传感器获取油井工作状况的数据，如抽油机的载荷信息及加速度信息，进而得出油井示功图。经过诊断技术处理，可以找出影响油井泵效或不出油的原因，然后根据油田采油工艺技术的配套措施来解决生产问题，保障抽油井长期稳产并延长免修期。

图1系统拓朴图

1系统整体设计

2

现场硬件设计

采集抽油机工作状况并实现数据的远程传输，本系统必须具备油井数据自动采集、远程传输、存储管理、网络发布、分析处理等功能。从逻辑结构上将系统划分为三大子系统：安装在现场的数据采集与远程传输子系统、服务器端数据接收与存储子系统、基于WEB的数据管理与应用子系统。如图1所示，即为系统拓扑图。

网络由多个井口采集终端节点构成，相隔较近的油井组成一个井群（即一个局部网络），每个局部网络的井群汇集节点接收各井口采集终端节点采集的信号，由嵌入式系统对数据包进行初步的处理、打包，

项目支持：国家大学生创新性实验计划，项目编号：1114

2.1节点硬件设计

ZigBee技术是是基于国际IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，数据最高传输速率可达250Kb/s，最高有效通讯距离可达2000m。本系统采用CC2530作为中心控制节点和传感器节点，它结合了一个完全集成的、高性能的RF收发器与一个8051微处理器，使得CC2530是专业ZigBee应用的最理想选择。本系统采用的CC2530芯片集成了微处理器和无线通信模块，简化了射频电路的设计。传感器模块包括载荷传

第一作者简介：杨海鹏，男，1991年生，长江大学电子信息学院11002班学生。邮编：434023

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石油仪器

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2013年2月

感器模块和加速度传感器模块，电源模块采用干电池组。井口采集终端节点的硬件原理框图如图2所示

。

图2井口采集终端节点

图4加速度信号采集与处理模块

2.2载荷信号采集与处理模块

本系统选用载荷传感器输入3v，输出0～4mV，量程0～150kN。需要对其采集的信号进行放大处理后才可以进行A/D转换，本系统选用程控放大器AD8223作为放大芯片。AD8223是一款集成单电源

仪表放大器，其传输函数为：

（INREF

放大倍数：

G

信号的复合滤波是准确获取抽油机示功图信息的保证。MMA7455内部集成低通滤波器，可初步去除信

号中的高频杂波。MMA7455所测得的加速度信号比较小、现场干扰信号较多，对其进行两次去除边界积分后所得冲程误差大，所以必须对采集的加速度信号进行合适的算法滤波后再双重积分得到较为准确的冲程。本系统采用形态滤波算法，根据加速度信号特征形态滤波可以很好地保持加速度信号的几何特征。为了有效抑制加速度信号中的各种噪音，本系统采用形态开-闭和闭-开两种滤波器的组合平均式。核心算法

定义为：

（（

（

（

）（

由于油井现场环境复杂，载荷传感器输出会有零点漂移（实际空载电压为－0.35mV－0V）。因此必须

在放大电路后加上合适的基准电压，以消除信号微小零点漂移导致的信号严重失真。本系统选择双运放芯片TLV2252作电压跟随器，不仅提高了信号的输出电流，而且对后级电路起到隔离作用。经过处理后的信号，由TLV2543采集后传送给中心节点控制器CC2530，如图3

为载荷信号采集模块。

表示形态闭-开运算，）为原始

）

输入信号，选取正弦波结构元素＝0，1，…，

2/

结构元素

£½1/2取得正弦波

图3载荷信号采集模块

2.3加速度信号采集与处理模块

本系统采用MMA7455L数字三轴加速度传感器

来测量抽油机运动的加速度，MMA7455是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能速度硬件测量电路。

。如图4为加

由于抽油机井现场，很容易混入高频噪声信号，从而引起加速度信号失真，因此信号与噪声的硬件分离电路的设计，基准电压的设置、

载荷信号和加速度

图5实际应用效果对比

可以看出滤波后大部分正、负脉冲噪声得到了抑

2013年第27卷第1期杨海鹏等：基于ZigBee的油井信息无线采集系统的设计

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制，而加速度信号得到了较好的恢复。分别对原始加

速度信号进行滤波后经两次积分与位移信号进行误差计算比较，发现其相对误差小于1%，满足石油测井仪器的要求。

集量大、井群分散，基于ZigBee的油井信息无线采集系统采用了现场层和管理层的两层体系结构，更适合油田生产需要，防止数据阻塞，提高了系统稳定性和可靠性。文中对系统的硬件设计和软件设计进行了详细论述，经过现场测试，效果较好，适合运用推广。

3节点软件设计要求

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由于传感器节点采用电池供电方式，必须降低井

口采集节点的功耗，因而在程序设计中使其处于定时唤醒模式中，只有当定时器产生定时中断时才转入工作状态，其他时间则转入低功耗模式，节点功耗降到最低。处于低功耗状态的节点关闭传感模块以及MCU部分电路，只保留MCU内部定时器和中断。

4上位机软件设计

本系统设计的软件界面可以实现现场抽油井的工况数据采集、现场工况显示、报警记录、诊断控制设置和系统管理等功能。为防止非法操作给油田生产带来巨大的经济损失，必须有一套完善可靠的安全机制，应该包括用户权限管理和工程安全管理。用户权限管理机制的实现是通过编制组态软件时，创建不同权限的用户组，用户不能超越自己的权限进行非法操作；工程安全管理机制有油井工程密码设置、工程运行期限设置和软件看门狗等功能。

良好的人机交互界面可以使油井管理人员查看各个现场抽油机工作运行参数并进行控制，此界面可以通过web服务器发布到Internet上，并采取适当的安全机制，其他相关科室人员均可以查看抽油机现场数据。如图6

，为系统现场测试结果，效果较好。

图6上位机软件实测效果图

（5）

[13]高惠燕.Zigbee无线传感器网络在安全监测系统中的应用

[J]．计算机测量与控制，2008，16（6）

（收稿日期：2012-09-09

编辑：刘雅铭）

5结论

物联网技术的飞速发展，使得基于ZigBee抽油机远程监控已经成为油田研究热点。由于油田信息采

IV

PETROLEUMINSTRUMENISFebruary.2013

gingdata,whenthesonicwave,lateralandnaturalpotentialaretestedsimultaneously,theself-potentialcurveresolutionwillprobablyincrease.Therootofthemicro-mechanismisrelatedtotheacoustoelectrictransformations,andacous-toelectrictransformationisrelatedtotheformationofdouble-layerstructure.SobysoundwavesandpermeabilityoftheLateraltotheformationofelectricdouble-layerstructure,theporestructureinformationisgot.Bythisnewloggingmethod,parameterssuchaspermeabilityareprovided.Thishasimportantsignificanceforimprovingevaluationoffor-mationofstructure.

Keywords:self-potential;electricaldoublelayer;specificpermeability

WangWenxueWuYanhongWangHengLiJilinGaoRongbinandWangXianjun.Theeffectsofcalibrationonthecom-pensateddensityloggingmeasurement.PI，2013.27（1）63-65

Thegammasourceusedincompensationdensityloggingdoesalotharmtohumanhealthandtheenvironment,sogenerallythejobshouldnotbedonemorethanonce,andlogginginstrumentarerequiredtobeaccurateandstable.Inviewofthedensitylogginginstrumentperformanceandinstrumentcalibrationmethod,Thisarticleproposesthemethodofincreasingcompensationdensityspectrometerloggingqualityscalevalidation.Anapplicationexampleisgiven,andtheresultprovesthatthemethodiseffectivetoimprovethemeasurementaccuracy.

Keywords:compensateddensitylogging;measurementaccuracy;sourcedistance;scalemodule;data;scaletestmethodYangTaoLiShaoxiaGuoHongqiandWangJianguo.ApplicationofloggingevaluationtechnologyforsourcerocksinYinchuanBasin.PI，2013.27（1）66-68

Loggingevaluationtechnologyforsourcerocksisbasedontheloggingdatawiththecharacteristicsofhighresol-ution,continuousdata，andobviousresponseoftheorganicmatterintheloggingcurve.Byestablishingloggingcurveandsourcerocksorganicmattercontentofinterpretationmodel,andbycalculatingthecontentoforganiccarbonandrockpyrolysishydrocarbongenerationpotentialoftheparameters，thesourcerocksareevaluatedquantitatively.BasedonanalysisofthegeologyandtheloggingresponsecharacteristicsofthesourcerockseinYingchuanBasin，thearticlefocusesontheresearchofthequalitativeandquantitativeloggingevaluationofthesourcerocks.Wehaveobtainedsat-isfactoryeffect.

Keywords:sourcerock;loggingevaluation;contentoforganiccarbon;rockpyrolysishydrocarbongenerationpotential;YinchuanBasin

LiYouqiangYuKelongWangHaijunLiHaoandWanPengju.ThediscussforMotorolaGP88Sradiowritingfrequence.PI，2013.27（1）69-70

Withthedevelopmentof3Dseismicexploration,theworkingregionisgettinglargerandlarger,http://www.77cn.com.cnparingwithconventionalmethod,itispracticaltosupportproductioninthefield.Keywords:GP88Sradio;writingfrequency;parametricdesign

YangHaipengWuAohanFengYanpingXiongLinamdZhaoXiaobin.DsignofoilwellinformationgatheringsystembasedonZigBeewirelesstechnology.PI，2013.27（1）71-73

Nowmostoilfieldsareusingcablewaytoacquireoilwelldamping-displacementfigure.Thedrawbackofthismethodliesinthecomplexwiring,atthewellsite,highdataerrorrate,longdataacquisitioncycle,soitisagainstremotemonitoring.ThispaperputsforwardawirelesssystemtoacquirethewellinformationbasedonZigBee.Thesystemiscombinedwithnetworkingtechnology.EachwellhaveitsownID.ZigBeemodulewillsendmessagestothepoolingnodeofthewellgroupafterthesensorscollectandprocesstheinformation.ThenthemessagesaresenttotheInternetbyGPRSmoduleforthehostcomputertodownloaddata.Throughthisdesign,datacanbecollectedaccuratelyandrapidly,andtheindicatordiagramcanbedrawneasily.Thusthemanagementcostwillbesaved.Keywords:ZigBee;Accelerationsensor;Loadsensor;Morphologicalfilteringalgorithm

GuoJianhuiFengChaoyingChenHonghuiZhangShengpinLiJingandCaiJuhua.Real-timemoduleanalysisandac-quisitionsoftwaredesignofALSsystem.PI，2013.27（1）74-75，78

ThisarticleintroducesthewellsiteinformationtransmissionstandardWITSandtransmissiondataformat,analysesALScomprehensivelogginginstrumentsoftwarestructurewidelyusedinthedrillingfieldathomeandabroad,anddataprocessofWITSsoftwaremodule.Besides,thisarticleexplainsthemethodsandstepstoacquirereal-timedatathroughWITSmodule,andoffersthetrainofthoughttodesigngeneraldatacollectionandtotransmitthemiddleware.Keywords:ALS;WITS;logginginstrument;Dataacquisition

LiPengZouWeiGaoYinfengLiuWeiandMaRongzuo.TheimprovementandapplicationofthebusmoduleofHH2530electroniccircuit-2.PI，2013.27（1）76-78

Theelectroniccircuit-2oftheHH2530loggingplatformissharedbyDual-lateralloggingtool,Dual-inductionlogging,ContinuousinclinometerandAcousticloggingtool.Itisnotonlyresponsibleforthecontroloftheaboveloggingtools,butalsotransmitstheloggingdatathroughthe3-bus.Inrealloggingconstruction,weoftenfindabnormalfluctuationsonloggingcurves.Byanalyzingtheabovephenomenon,weconfirmtheanomalityiscausedbythe3-businterferencesignal.Inordertoenhancetheanti-jammingcapabilityofthesharedelectroniccircuit-2andimprovethequalityofloggingcurves,startingfromtheworkingprincipleandthecharacteristicsofthesignaltransmissionmodeofelectricmethodinstrumentoftheHH2530loggingplatform,wemake3improvementstothebusinterfacemoduleofthesharedelectroniccircuit-2oftheHH2530loggingplatform.Wealsoanalysealargenumberofloggingcurvesme-asuredbytheimprovedinstrument,andmakeacomparisonofthequalityofthecurvebetweentheunimprovedinstru-ment,andimprovedinstrumenttoconfirmtheimprovedresults.

Keywords:HH2530loggingplatform;electroniccircuit2;3-buscommunicationmode;HeNanOilfield

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/331i.html