基于Zigbee技术的石油生产远程监测系统设计

论文摘要

随着微机电系统、嵌入式系统、传感、计算机网络和无线通信技术的飞速发展,石油生产远程监测系统成为当今国内外研究的热点课题。但是,目前应用于实际生产的石油生产远程监测系统,在传输距离、网络覆盖范围、系统能源消耗、系统设计成本、维持系统运行费用以及相关技术的成熟度的限制等诸多方面,存在着这样或那样的不足,给石油生产远程监测系统的设计、应用带来了很大困难。针对以上问题,论文提出了基于Zigbee无线传感网络的石油生产远程监测系统的设计,解决了因石油生产现场环境恶劣、地势复杂、油井数量多、分布广等客观原因造成的设备维护困难、生产管理混乱、人力物力资源浪费等诸多问题。系统基于Zigbee技术组建了石油生产现场的监测网络。Zigbee技术是一种低复杂度、低功耗、低成本、低数据传输速率,采用全球统一开放的协议标准,并使用免执照的ISM频段的技术。该技术提供了三级安全模式,采用高级加密标准(AES128)的对称密码,对数据传输的安全性提供了保证。数据远程传输方面采用具有覆盖范围较广、传输速率及可靠性高、网络稳定性强、使用费用较低、永远在线等优势的GPRS网络。数据监测中心采用客户机/服务器模式,管理人员可通过远程监测系统实时查询石油生产现场的油井工况信息,并可通过数据库实现数据的共享。Zigbee无线传感网络的设计中,采集终端与路由节点的主控芯片采用高性能、低功耗的8051微控制器内核的CC2430芯片,该芯片内部集成RF前端、电池监测及温度感测等诸多功能模块,提高了采集终端的集成度,简化了硬件电路的设计。该芯片还具有掉电、挂起两种低功耗工作模式,并支持CSMA/CA的信道访问控制方式,为系统的低功耗设计提供了重要的设计基础。协调器采用低功耗、高性能的适合于网关设计的LPC2148芯片,满足了网关的高数据吞吐率和处理能力的要求,简化了硬件电路,提高了系统设计的可靠性、稳定性,以及系统的性价比。油井工况信息的监测是通过示功图的诊断完成的。利用载荷传感器、加速度传感器完成位移、载荷、冲次数据的采集,通过系统软件的处理,将数据转换为示功图信息,并通过数据库服务器上报管理人员。管理人员通过查阅相关信息,对工况信息做出诊断并及时排除故障。系统设计中增加了采集终端的电源监测功能,增强了数据采集网络的可靠性和稳定性。经过对系统的多次测试,系统基本上实现了对油井的远程实时监测,达到设计的目的。本文设计的系统具有安装方便、网络运行成本及功耗低、组网灵活、覆盖范围广、通信可靠、节点可重复利用等优点,解决了油田生产的组网与维护费用高、系统能源浪费严重、传输距离及网络覆盖范围有限等诸多问题,实现了无线传感网络在远程监测系统中的进一步应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 国内外发展过程及现状
• 1.3 石油生产远程监测系统的整体方案设计
• 1.3.1 系统的总体结构
• 1.3.2 系统的理论依据及工作流程
• 1.4 论文的主要工作及创新点
• 第二章 石油生产远程监测系统的通信网络
• 2.1 Zigbee无线传感网络
• 2.1.1 无线传感网络技术
• 2.1.2 Zigbee技术
• 2.1.3 IEEE802.15.4协议分析
• 2.1.4 Zigbee无线传感网络拓扑结构的选择
• 2.1.5 Zigbee技术的实现
• 2.1.6 Zigbee无线传感网络的组建
• 2.1.7 Zigbee无线传感网络的低功耗设计
• 2.2 GPRS网络
• 2.3 数据监测中心的网络连接
• 第三章 石油生产远程监测系统的设计
• 3.1 采集终端设计
• 3.1.1 采集终端的作用及工作机制
• 3.1.2 应用芯片CC2430介绍
• 3.1.3 采集终端硬件电路的设计
• 3.1.4 采集终端的软件设计
• 3.2 路由节点设计
• 3.2.1 路由节点的作用与工作机制
• 3.2.2 路由节点硬件电路的设计
• 3.2.3 路由节点的软件设计
• 3.3 协调器设计
• 3.3.1 协调器的作用及工作机制
• 3.3.2 应用芯片LPC2148介绍
• 3.3.3 协调器硬件电路的设计
• 3.3.4 协调器的软件设计
• 3.4 监测中心设计
• 第四章 系统调试及实验结果分析
• 4.1 系统调试
• 4.2 系统测量参数分析
• 4.2.1 节点能量测量参数分析
• 4.2.2 测量参数分析
• 4.3 主要性能指标
• 4.4 实验结果分析
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 在校期间的研究成果及发表的学术论文
• 致谢