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短距离无线通信技术在油田监测中的应用解析
第29卷第1期
延安大学学报(自然科学版)
V01.29No.1
短距离无线通信技术在油田监测中的应用
雷文礼,李建新,张水利
(延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000)
摘要:
随着国家对石油能源的重视,电子技术和通信技术在石油开采监测中的应用日益广泛。
本
文主要介绍了无线通信技术在油田安全生产中的几种应用及其各自的特点,并对几种主要的短距
离无线通信技术的特点进行了比较。
由于油田生产环境特殊性等因素,短距离无线通信技术在油田安全生产中有着广阔的发展前景,也必将承担越来越多的应用。
关键词:
短距离;无线通信;油田;监测中图分类号:
TP368.1
文献标识码:
A
文章编号:
1004-602X(2010)01-00564)3
随着石油能源需求的增加,国家对石油的高效
生产和安全也日益重视。
同时,当前我国采油井场
一般都很分散,分布范围广,多处于偏远地区,不便
于管理和监测。
电子技术和通信技术的发展,油田改革的深入,使得油井信息化管理与监测工作提到了各个油田的议事日程。
短距离无线通信技术具有
无需布线,使用简单方便等特点,在油井信息化管理
与监测建设中具有广阔的应用前景…。
1
无线通信在油田监测的应用现状
由于油井地理位置一般较为分散,生产作业流
动性打,野外施工环境恶劣,对数据采集、监测功能要求稳定,安全性要求较高。
过去主要采取人工抄表、电话报数、现场手动操作的原始监测方法。
目前,随着现代通信技术的发展,使得ZigBee,
WiFi,Bluetooth等短距离无线通信技术开始逐渐应用于油田监测。
借助于无线监测技术,管理人员足
不出户就可以随时通过监测系统查看现场图像,数据。
油井一旦出现工作故障,监测系统则会立即报警,维护人员就能够在第一时间内赶到现场,及时排除故障,减少生产损失。
监测系统框图如图1所示。
监测终端为具有短距离无线通信功能的智能设备,负责将采集到的数据,图像等信息发送给远端的监
测中心。
监测终端要求具有图像数据采集和无线数
据传输功能,需要支持无线网络。
监测终端的核心处理器一般应具有强大的处理能力,丰富的接口及较低的功耗。
同时,为了简化软件开发,需要核心处理器能够对嵌入式操作系统有良好的支持。
可选的核心处理器主要有,I'I公司的MSP430,三星公司的ARM7、ARM9等系列处理器。
可选的嵌入式操作系统主要有Linux,WinCE,VxWorks等。
图1系统组成
2几种主要的短距离无线通信技术
短距离无线通信(Shoa
DistanceRadio
SDR)技
术概念的范围很广,在一般意义上,只要通信收发双方通过无线电波传输信息,并且传输距离限制在较短的范围内,通常是几十米以内,就可以称为短距离
收稿日期:
2009—12一12
作者简介:
雷文礼(1982一),男,陕西富县人,延安大学助教,硕士。
岛岛
岛岛
万方数据
第1期短距离无线通信技术在油田监测中的应用57
无线通信口J。
SDR技术的主要特征有以下几点:
第一,低成本、低功耗和对等通信,是短距离无
线通信技术的三个重要特征和优势。
第二,低功耗是相对其它无线通信技术而言的
一个特点,这与其通信距离短这个先天特点密切相关,由于传播距离近,遇到障碍物的几率也小,发射
功率普遍都很低,通常在1毫瓦量级。
第三,对等通信是短距离无线通信的重要特征,有别于基于网络基础设施的无线通信技术。
终端之
间对等通信,无须网络设备进行中转,因此空中接口
设计和高层协议都相对比较简单,无线资源的管理通常采用竞争的方式如载波侦听。
2.1
ZigBee技术
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4
无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准,被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。
ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本和可靠性高的双向无线网络通信技术,主要适合于自动控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能bJ。
ZigBee技术的特点主要有:
(1)低速率:
ZigBee工作在20一250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
(2)低时延:
ZigBee的响应速度较快,一般从睡
眠转入工作状态只需15础,节点连接进入网络只
需30ms,进一步节省了电能。
相比较,蓝牙需要3
—10
8、WiFi需要3
s。
(3)低功耗、实现简单:
设备可以在电池的驱动下运行数月甚至数年。
低功耗意味着较高的可靠性
,
和可维护性,更适合体积小的大量日常应用。
(4)低成本:
通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/
10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要
32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee
免协议专利费。
每块芯片的价格大约为2美元。
(5)近距离。
传输范围一般介于10—100in之
间,在增加RF发射功率后,亦可增加到l一3
km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点
间通信的接力,传输距离将可以更远。
(6)高安全。
ZigBee提供了三级安全模式,包
括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。
(7)免执照频段。
采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。
目前ZigBee
Ad
Hoe网络在经过测试稳定的情
况下可达30级深度。
可以满足3km左右的无线中继需要。
适合用来实现小范围的无线传感器网络。
油井监控的特点数据量要求比较低,但对传感
器和控制器的环境要求较高,要求传感器可以长时
期稳定的运行。
ZigBee技术的功耗低、可靠、数据传输速率低、成本低、时延短、优良的网络拓扑能力等特点适合油井监控,并且油井间地形简单空旷适合部署无线网络。
ZigBee油田数据监控传输系统,主要完成油井环境的监控和测量,便于安全生产和事故处理。
系统主要通过ZigBee模块快速搭建的无线网络,来实现对远端的监控和测量。
数据采用多跳逐级路由发送。
ZigBee路由节点负责发送本节点的数据,还负责转发其他节点的数据至中心节点。
中心节点再通过其他手段将数据发送救援控制中心,以待处理。
2.2
WiFi技术
WiFi(wirelessfidelity(无线保真)的缩写)实质上
是一种商业认证,具有WiFi认证的产品符合IEEE802.1lb无线网络规范,它是当前应用最为广泛的WLAN标准,采用波段是2.4
GHz。
IEEE
802.1lb无
线网络规范是IEEE802.11网络规范的变种,最高带宽为11Mbps,在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5
Mbps、2
Mbps和1Mbps,带宽的自动调
整,有效的保障了网络的稳定性和可靠性。
1997年,IEEE发布了802.11协议,这也是在无线局域网领域内的第一个国际上被认可的协议。
在1999年9月,又提出了802.1ib“HighRate”协议,用
来对802.11协议进行补充,802.11b在802.11的1
Mbps和2Mbps速率下又增加了5.5Mbps和11Mkps两个新的网络吞吐速率。
利用802.11b,移动用户能够获得同Ethemet一样的性能、网络吞吐率、可用性。
这个基于标准的技术使得管理员可以根据环境
选择合适的局域网技术来构造自己的网络,满足他们
的商业用户和其他用户的需求HJ。
802.1l定义了两种类型的设备,一种是无线站,通常是通过一台PC机器加上一块无线网络接
万方数据
58
口卡构成的,另一个称为无线接入点(Access
Point,
AP),它的作用是提供无线和有线网络之间的桥接。
一个无线接入点通常由一个无线输出口和一个有线
的网络接口构成,桥接软件符合802.1d桥接协议。
接入点就像是无线网络的一个无线基站,将多个无
线的接入站聚合到有线的网络上。
无线的终端可以是802.11PCMCIA卡、PCI接口、ISA接口的,或者是在非计算机终端上的嵌入式设备。
WiFi技术在油田监测中主要对图像,视频等大
数据量业务完成组网传输。
2.3
Bluetooth技术
蓝牙(Bluetooth)是一种支持设备短距离通信的
无线电技术,功率级别分CLASS1100
m距离和
C¨6S
210
m距离两种。
能在包括移动电话、PDA、
无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进
行无线信息交换。
蓝牙的标准是IEEE802.15,工作
在2.4GHz频带,带宽可达3Mb/s。
蓝牙(Blue-
tooth)是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998
年5月共同提出的近距离无线数据通讯技术标准。
蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备(如Pc、拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等),通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet),多个微微网之间也可以互连形成分布式网络(Scatternet),从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。
它是实现语音和数据无线传输的开放性规范,是一种低成本、短距离的无
线连接技术。
其无线收发器很小,可方便地嵌人到
便携式设备中,从而增加设备的通信选择性。
蓝牙技术实现了设备的无连接工作,提供了接人数据网的功能,并且具有外围设备接口,可以组成一个特定
的油田监测小网。
以上三种短距离无线通信SDR技术对于油田企业应用各有特点,从数据传输速率来看WIFI具有明显优势,其次为蓝牙和Zigbee;从覆盖距离上
讲,这几种技术差别不大;从功率消耗上来讲,Zig-
bee具有比较明显的优势。
所以针对不同的应用环
境和成本要求采用不同的SDR技术,或者进行混合
组网满足现场的数据、图像和语音要求。
3结束语
电子通信技术的发展使得短距离无线通信技术
在油田安全生产和监测领域越来越广泛,如油田通
信、传输、人员定位、无线传感器、无线局域网、现场工业设备遥控、应急通信、环境监测、安全生产指挥、
移动办公、移动商务等等领域,为油田生产监测提供了便利。
可以预计,由于油田环境的特殊性等因素,短距
离无线通信技术在油田安全生产和监测中有着广阔
的发展前景。
参考文献:
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北京邮电大学出版社,2006:
1.
[责任编辑贺小林】
ApplicationofShortDistanceRadioCommunication
TechnologyintheOilField’
LEI
Wen.1i,LIJian—xin,ZHANGShui.1i
(College
ofPhysicsandElectronicInformation,YananUniversity,Yanan
716000,China)
Abstract:
Withthedevelopmentofcotmtrybattentionto
oilenergy,electronictechnologyandcommunicationtech-
nologybegin
tO
getwidespreadapplicationintheoilexplorationandmonitoring.Ithasbeenintroducedseveral
kindsofapplicationsofradiocommunicationtechnologyinsafetyproductionintheoilfieldandcharacteristic,and
comparedwith
thecharacteristicofseveralshortdistanceradio
communicationtechnology.Becauseofparticular
en-
vironmentinthecoalmineproduction
and
otherfactors,shortdistanceradiotechnologyhasthepromisingdevelop-
mentprospectsinthesdetyproductionintheoilfield,itwillhavemoreandmoreapplications.Keywords:
shortdistance;radiocommunication;oilfield;monitoring
万方数据
短距离无线通信技术在油田监测中的应用
作者:
雷文礼,李建新,张水利,LEIWen-li,LIJian-xin,ZHANGShui-li作者单位:
延安大学,物理与电子信息学院,陕西,延安,716000刊名:
延安大学学报(自然科学版)
英文刊名:
JOURNALOFYANANUNIVERSITY(NATURALSCIENCEEDITION年,卷(期:
2010,29(1被引用次数:
0次
参考文献(4条
1.周怡颋.凌志浩.吴勤勤ZigBee无线通信技术及其应用探讨[期刊论文]-自动化仪表2005(62.孙弋ARM-Linux嵌入式系统开发基础2008
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整套系统由智能节电终端、无线通信网络、智能控制软件系统三部分组成:
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