基于ZigBee的油田污染源数据采集传输系统开发

油田所在地区由于雪、雾、风沙等自然现象较为普遍，且气温波动较大l]，好多存放数据采集传输仪的站房 比较偏 ，设施不达标 ，严重缩短了数据采集传输仪的使用寿命。另外，由于站房地处较偏，-旦出现问题，不利于维护人员的维护。而且每个企业的各个污染源监测站点分布 比较分散 ，有的站点之间相距几百米 ，有的则相距数十公里，因此 ，寻找出-种甚至多种能适应油田特点的无线通信网络显得尤为重要。

近年来，大带宽、高速率的无线通信技术-直是研究热点和技术发展趋势，然而，低速率、低功耗、短距离的通信网络技术也有着重要应用 ，在-些领域发挥 了不可忽视 的作用 ]。笔者 旨在将-种低速率 、低功耗、短距离的通信网络应用到油田污染源数采仪中，结合当前热门的 GPRS远程无线通信技术来更好地满足油田污染物数据指标的采集与传输。

1 ZigBee技术简介1.1 ZigBee技术特点ZigBee技术是 -种近距离 、低复 杂度、低收稿日期：2012-l1-01作者简介：管峰(1988-)，男，硕士生，主要研究方向为现代机械 设 计 方法 与 理论、在线 监 测 技 术 的研 究，E mail：yuanfengll11###163.corn。

功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。主要用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备 ，解决工业生产现场信号采集 中布线复杂、信号多样、环境恶劣等问题。主要具有 以下-些特点 ：(1)传输速率低：在 10250 kb/s。

(2)耗能低：采用休眠模式进行收发网络节点信息，普通的 2节 5号电池就能维持 6个月到 2年 。

(3)低成本、短时延：低速率的数据传输对设计要求简单 ，因此研发成本低 ，同时时延不超过 30 ms。

(4)网络容量大 ：每个节点由网络层分配 2个字 节 的网络 地址 ，最 大处 可 接 人 65 000个节点。

(5)动态组网自动化 ：节点的动态离开和网络加入灵活，网络的可扩展性和可修复性得到了极大的增强。

(6)安全性 ：运用 AES-128加密算法 ，数据可以进行完整性的检查和鉴权等功能。同时可保证节点数据不被非法侵入者窃龋(7)灵活的频段 ：把免执照频段应用到工作6 北京石油化工学院学报 2013年第 21卷频段，便于部署。

1.2 几种无线通讯方式的比较目前 比较热门的几种无线通讯方式有红外技术、蓝牙技术、wi-Fi技术、移动通信技术，与其他几种无线通信技术相比，ZigBee具有近距离、低速率、低功耗、低成本、支持网络节点多等特点 ，可广泛地应用于环境监测 、农业 自动化 、工业控制等领域。几种通讯方式的比较见表 1 。

表 1 几种无线通讯技术的特性 比较特性 Z[gBee 红外 蓝牙 Wi Fi 移动通信单点覆 盖 50～300m 3m 10m 50m 几公里网络扩展性 自动扩展 无 无 无 无电池寿命 数年 数天 数天 数小时 数天复杂性 简单 -般 复杂 非常复杂 复杂峰值速率 250 kbps 4Mbps 1Mbps 1～11Mhz 38.4 kbps传输媒介 2.4GHz 红外线 2.4GHz 2.4GHz 0.8～1 GHz联网所需时问 30ms 数秒 l0 s 3 s 数秒终端设备费用 低 低 低 高 较 高有无网络费用 无 无 无 无 有安装使用难易 非常简单 简单 -般 难 -般2 ZigBee网络拓扑结构的选择ZigBee有 3种拓扑结构：星型结构(Star)、网状结构 (Mesh)和簇树结构 (ClusterTrec)，如图 1所示 。不管在何种网络拓扑结构中根据节点设备所具备功能不同，可分为完整功能设备(FFD)和简化功能设 备 (RFD)。1个 FFD可同时与多个 RFD或多个其他的 FFD通信 ，而 1个 RFD只能和 1个 FFD进行通信。

(a)星型网 (h)网状网 (c)簇树型网 ZigBee协调器 移 全功能设备 0 简化功能设备图 1 ZigBee网络拓扑结构(1)星型结构 的优点是被较少的上层路 由管理 ，结构简单 ，成本低 。缺点是灵 活性不够强 ，终端设备只能通过与主协调器覆盖连接 的通信范围进行运作，网络覆盖范围狭窄；网络容易堵塞，数 据 易 于丢 失 ，因为 数 据 只 能通 过ZigBee协调器输送；最重要是的协调器如果 出现故障，网络将陷于瘫痪 中，无法运作。

(2)网状 拓扑结构具有 自组织 、自愈 的功能，而且适应环境能力强，具有较强的系统可靠性和网络健壮性，因为他拥有备用的 1条或多条的路径传输数据 ，即使 1条路径出现问题，网络也能正常运行，同时各节点都对等，都有路 由能力 ，这样就造就了动态的路由拓扑。缺点是路 由模式不固定 ，瞬时网络连接质量决定 了数据传输 的时 间，网络更 加 复 杂 化，耗 功 也增大了。

(3)树形结构实现了网络覆盖范围的扩大和多跳”功能 。他继承了星型结构的简单性和成本低的特点 ，没有 网状拓扑结构复杂。缺点是他与枝干任-个节点的安全性息息相关 ，很容易出现某-部分节点脱离网络 ，所以网络性太差 。

通过对这 3种网络拓扑结构的优缺点比较发现 ，要建立 1个无线数据采集系统需要 1个合理的网络拓扑结构，需要从成本、网络结构的复杂程度去综合考虑，以最低廉的成本和最简单的网络结构去实现所需要的功能。类似油田这样的环境 ，对于某企业这种小型局域网，可以采用星型拓扑结构 ，不仅成本低 ，结构也相对简单 ，组网也比较容易，易于扩充和管理 。唯-的缺点就是-旦协调器出现故障，整个网络就瘫痪了，所 以对协调器的要求相对而言比较高 。

针对某个油 田企业 ，他 的各个排污 口比较分散 ，相距有近有 远，可以在 ZigBee网络覆盖的有效传输范围内，现赤测设备上安装数据采集设备，装有 ZigBee无线收发拈的数采仪作为协调器 ，这样就组成了 1个星型无线数据采集传输系统 ，将各个站点的数据进行采集汇总并且传输给企业监控 中心乃至中国石油环境监测总站的监控中心 。

3 系统设计3.1 总体方案设计总体方案由 2部分构成 ：-部分是装在油田企业排污 口监测设备上 的 ZigBee无线收发拈 ；另-部分是安装在数采仪上的 ZigBee无线收发拈 。

(1)安装在现赤测设备上的 ZigBee无线收发拈-部分为数据采集节点，采集现场数据并发送给数采仪 ；其中还有少量的控制节点，实现某些特定的控制功能，比如，通过控制 中心发送控制命令使监测设备启停工作，或者针对监测不合格的污染物排放 口进行重新采样监第 2期 管 峰等 .基于ZigBee的油田污染源数据采集传输系统开发 7测 ，政府或者中国石油环境监测总站通过反控功能实现定期的抽查和检验 。

(2)带有 ZigBee无线收发拈 的接收端是- 个带有微处 理器 的网络协调 节点，具备GPRS和 ZigBee2种协议数据转换能力。无线接收所有数据采集节点传输的数据，经过处理后通过 GPRS拈发送 到远 程的上位机监控中心 ，同时也能通过 GPRS拈从上位机获得各种设置和控制指令，并把这些指令同步到现场 ZigBee无线收发拈 ，从而实现对监测网络的设置以及反控抽查等功能 。

3.2 系统软硬件设计系统的硬件设计主要 由 2部分组成 ，其 中现场收发拈采用 ZigBee212拈作为无线收发拈 ，接收端 由 GTM900BSTM32F103ZigBee212拈构成。

接收端在系统 中间层 ，既要 与无线传感器网络进行 ZigBee数据交互 ，又要与上位机监控中心进行 GPRS数据交互 ，这就要求其具有较强 的 数 据 处 理 能 力。 基 于 此 ，选 择STM32F103处 理 器 ，此 处 理器 是 基 于 32位RISC结构高度集成的 Cortex-M3处理器。在72 MHz下 工 作 ，内部 集 成 了 2个 I。C接 口(SMBus/PMBus)，同时具 备 2个 PWM 定 时器、3个 12位 A/D转换器 、4个通用 16位定 时器和外部存储器控制器；除此之外还提供了 3个 USART接 口；支持 IS07816、LIN、IrDA接口和调制解调控制 ，拥 有 2个速率 为 18 Mb/s的 SPI同步串行接 口，具备 2.0B主动的 CAN接口和 USB2.0全速接 口。最重要 的是该处理器低功耗 。

GPRS拈采用华为 的 GTM900B无线通信 模 块，GTM900B 模 块 支 持 EGSMg00/GSM1800频段 ，使用 AT命令集 ，通过 UART接口与外部 CPU进行通信，主要实现无线发送和接收 、基带处理 、音频处理 等功能。键盘、LCD(Liquid Crystal Display)等外部设备则 由外部 CPU进行控制。他可方便地应用于环保数据采集传输系统4]。

ZigBee无线收发拈选用 ZigBee212模块 ，由 Atmel 公 司 的 ATmegal281 AT86RF212构成。ATmega1281是-款高性能 、低功耗的 8位单 片机；AT86RF212是低功耗 、低电压 8oo/9oo MHz收发器 ，是 Atmel公司 推 出 的 首 个 面 向 中 国 无 线 市 场 的IEEEPS02.15.4c兼容 RF收发器，特别适合低成本 的 ZigBee应用 。

考虑到硬件电路图比较复杂，在此只给出接 收 端 的 硬 件 设 计 框 图，如 图 2 所 示。

STM32F103是 GPRS拈 和 ZigBee212拈的中间层 ，通 过 2个 串 口分别连接 GTM900B与 ZigBee212，作为 GPRS数据和 ZigBee数据的交互层 ，通过对其软件编程 ，实现 2种网络数据的转换 。

ZigBee212拈 USB l l以太I硎I JTAG接口l l接口l I接口窿 西固 萝]-针对 以上 硬件设计 ，对 ZigBee212拈 和微处理器 STM32F103进行 编程，主要包 括-些串口程序和驱动程序的设计等。

4 系统应用将该系统应用到油田污染源在线监测系统中，可以在很大程度上满足油 田某些业务需求 ，延长油田污染源数采仪的使用寿命，提高数采仪的可维护性。废水无线数据采集传输系统的采集传输流程如图3所示。

监控中 I觏 C0D 氨氮 ZigBee212 ZigBee ZigBee212无线 无线 STM32 CTM收发 - 收发 F103 9OOB百油类 拈 拈 rI图 3 废水无线数据采集传输流程废气部分的数据采集流程较为复杂，在此不--列举 。

5 结语提 出 了 - 种 新 的 基 于 ARM/GPRS/8 北京石油化工学 院学报 2013年第 21卷ZigBee技术的油田污染源数据采集传输系统的实现方案，有机结合了 ARM 高效的处理技术、GPRS可靠的远程数据传输技术和 ZigBee的低成本、低功耗等优点 ，在油 田污染源在线监测系统 中起到举足轻重 的作用 ，在-定程度上推动了我 国的环保事业 的发展。