基于无线传感器网络的机电监测系统的应用研究

论文摘要

石油是国家经济发展的命脉,随着经济的日益飞速发展,对油田的生产效率和原油质量提出更高要求,而采油场传统的人工巡检或总线监测方式效率低、线路冗余、成本过高、易受破坏,影响石油行业的快速发展。本文以提高监控效率、降低成本为指导思想,提出基于无线传感器网络的油田油井监控系统,并对系统的设计方案,关键技术选取,通信协议设置以及软硬件设计进行研究和论述。基于无线传感器网络的油田油井监测系统,采用无线模块与传感器件结合构成无线传感器网络节点,利用节点对油井相关工作状态进行监测,监测结果传送到监控中心,并将油井及相关设备上的监测节点与监控中心相连,构成一个完整的传感器网络,完成对油田油井的监测。基于无线传感器网络的思想,根据实际情况,本系统选择无线单片机技术进行无线传输,并提出一种融合跳频技术（Frequency-Hopping spread spectrum, FHSS）的载波监听（Carrier sense multiple access,CSMA）的传输协议,有效减少数据传输中的碰撞问题,降低冲突与数据丢失发生的几率。针对油田面积大,分布范围广的具体问题,对网络路由协议进行研究,选取适合油田油井监测网络的路由协议。本文对分层路由协议LEACH路由协议进行改进,提出把随机形成的“簇”设置为以单个油井为单位形成一个簇,形成更明确的网络划分,对单个油井的各种运行状态信息进行更有效的管理,同时可以对“簇头”节点采取有线供电,提高网络的生存周期。在通信协议的选择上,本系统采用自主设计通信协议,具有很好的扩展性和可靠性。系统以温度参量监测为例来进行节点软硬件设计,软件实现采取分层模块化设计,底层驱动、通信协议、应用程序分层实现,各层间提供接口,方便调用,在应用层对数据采集、处理以及传输分模块实现,使软件具有较强的扩展性,有利于软件管理。硬件设计采用集成了无线收发器的微处理器芯片CC1010,有效减小节点的设计体积与成本。最后经过测试,达到较好的传输效果。本论文基于无线传感器网络的机电监测系统的应用研究为油田油井的监测提供了一个较好的解决方案,能够有效解决传统监测中存在的问题,提高油田生产的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 油井监测的研究现状
• 1.2.2 无线传感器网络的研究现状
• 1.2.3 应用的领域
• 1.3 课题提出
• 1.4 论文研究内容及结构
• 第二章 系统总体设计
• 2.1 系统的设计背景
• 2.1.1 系统实现的功能
• 2.1.2 系统的技术要求
• 2.2 系统的设计方案的构成
• 2.3 系统无线传输技术的选择
• 2.3.1 常用无线传输技术
• 2.3.2 本系统无线传输技术选择
• 2.4 系统的关键技术
• 2.4.1 通信信道的分配
• 2.4.2 路由协议的选择
• 2.5 系统的组网方式
• 第三章 网络节点的硬件设计与实现
• 3.1 传感器网路节点概述
• 3.2 微处理器的选择
• 3.2.1 感知节点的微处理器选择
• 3.2.2 基点的微处理器选择
• 3.3 无线收发器
• 3.4 传感器选择
• 3.4.1 传感器功能介绍
• 3.4.2 传感器的硬件电路设计
• 3.5 传感器网络节点原理图
• 第四章 网络节点的软件设计与实现
• 4.1 开发环境介绍
• 4.1.1 感知节点开发环境
• 4.1.2 基点的开发环境
• 4.2 节点软件设计介绍
• 4.2.1 软件体系结构
• 4.2.2 通信协议介绍
• 4.3 数据处理模块程序设计
• 4.4 数据采集模块程序设计
• 4.5 无线收发模块程序设计
• 第五章 系统调试
• 5.1 硬件调试
• 5.2 软件调试
• 5.3 整体测试
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 传感器节点实物图
• CRC8 算法
• 攻硕期间的研究成果