论文部分内容阅读
摘要：在录井无线数据采集与传输系统中，数据传输采用无线方式，系统采用太阳能供电，一方面要保证数据准确性，同时要降低系统功耗。本文介绍了采用2.4GHz的XStream录井无线数据传输系统的整体设计方案。现场应用表明，无线传输系统能够低功耗、高可靠性地稳定工作，完全满足录井现场的数据传输要求。
关键词：24XStream录井数据传输；低功耗；无线模块
引言
在传统的石油录井工业中，数据信号传输是采用“一对一”方式的RS-485总线传输，技术含量低、通用性差、可靠性低。近年来，基于现场总线的数据传输方式得到发展，国内外先后出现了基于现场总线(Lon Works、CAN等)的录井仪器设备。现场总线技术的使用一定程度上减小了布线工作量，但由于有线供电的需要，也无法大量减少布线。而且，必须在开钻前铺设好通讯线路和供电线路，在井场搬迁过程中拆卸和安装工作量大，容易导致设备的损坏。特别是小型录井仪，主要应用于生产井，测量参数较少，钻井周期较短，这样传感器的拆装工作就显得尤为繁琐。根据小型录井仪的应用特点，将短距离无线数据传输技术引入录井数据传输系统，取代井场上工程参数短距离有线线缆传输，可以避免以上所述的各种弊端。
无线传输方式与无线电台的选择
在录井工程中，根据生产现场情况的不同，现场传感器与仪器房之间的距离在几十米到几百米不等，属于短距离无线通信。目前可应用于工业领域的短距离无线通信技术主要有：红外线数据传输(IrDA)、无线局域网802.11(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee和超宽带无线电(UWB)等，这些技术各有特点和适用范围。
红外线数据传输不受无线电干扰，不需要申请频率，但它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准、通视，中间不能有阻挡。由于井场上各传感器的位置、距离等不确定，因此，不适合用于井场数据传输。
无线局域网802.11b技术是一种基于电磁波传输的无线通信技术，使用2.4GHz ISM频段。该通讯方式具有速率高(可达11Mbit／s)、覆盖范围大(可达300m)的特点，但是它的功耗过大，对于使用电池供电的录井传感器而言是个致命缺陷。
蓝牙技术同样是一种基于电磁波传输的无线短距离通信技术，通信频段亦为2.4GHzISM频段，可提供1Mbit／s传输速率和10m传输距离。
ZigBee技术基于IEEE 802.15.4标准，工作在2.4GHz ISM公共频段。有效覆盖范围10～75m之间，数据传输速率10kB／s～250kB／s。
超宽带无线电是近年来发展迅猛的新型通信方式，它是基于冲激脉冲自身的宽频谱特性，通过对具有特殊波形的冲激脉冲进行调制获得载有信息且符合频带要求的无线电信号。超宽带无线电直接发射脉冲，不需中频和射频电路，有利于减小体积和降低能源消耗。
综合考虑可靠性、数据传输实时性、低功耗和成本等各种因素，采用美国MaxStream公司的低功耗、高速无线数传电台24XStream，具有以下突出特点：工作频率为2.4GHz，该频段无授权限制，同时避免了同现场低频信号及公用无线通信频段的碰撞，传输可靠；使用时只要将DB9接口与PC或微处理器相连，通过串口向电台发送数据，在另一端从电台串口读取数据就能实现无线通信；工业级产品工作温度40～85℃，可以满足钻井现场要求；传输距离在室内或城市不接天线工作也能达到180m的传输距离，在室外空旷地区配以天线传输距离高达几千米，可以满足录井现场的应用条件要求。
录井无线数据传输系统的设计与实现
系统结构设计如图1所示，将井场采集板和数传电台通过串口连接，采集的数据由测量节点发送到录井仪器房。录井仪器房主计算机与现场无线采集传输节点之间的通信网络结构是一点对多点的主从结构，数据传输量不大，由主计算机来按照一定的周期，通过指令依次巡检各个现场无线采集传输模块并收集数据。
录井无线数据传输的通信协议
系统采用异步串行通信方式传输测量数据，录井无线数据传输工作流程如下：
·主计算机发出命令，要求某个现场无线采集传输模块采集信号并上传数据；
·相应的现场无线采集传输模块接收到命令后采集被测参数信号，并把处理后数据发送到主计算机；
·该现场无线采集传输模块上传数据之后进入等待状态，直到监控计算机巡检完所有的无线采集模块后，再次向该采集传输模块发出命令。
系统是一点对多点通信，需要进行数字电台与单片机、终端主控机的通信协议的设计。数传电台24XStream点对点之间有固有的通信协议，具有自己的帧格式标准，对所传输数据采用CRC校验。对用户来说，数据传输是透明的。用户可以根据应用系统要求，在外部再封装一层自己的协议，进一步提高数据准确性。
本系统采取9600bit／s串口通信速率。单片机读取到前端数据后，首先将数据打包、加帧头、加校验码和填充数据以构成传输帧，而后将数据经由串行口发送至无线传输电台，在2.4GHz的频段上调制后以9600bit／s的数据率进行无线发射。
由于录井数据采集与传输节点个数有多个，而且在录井过程中是同时在工作的，为了保证数据传输的实时性，要实现轮循工作。赋予每个节点一个地址，在每帧数据中引入了对每块数据采集板的编号，即给每块采集板赋予不同的地址，按地址循环访问，构成一个由一台主机和多个传感器节点组成的通信网络。上位机访问节点时就发出相应地址命令，下位机将数据封装为一个帧，将地址字节作为该帧帧头，上位机根据帧头分离数据类型，将收到的数据分别存储到对应的数据库，做数据的处理和解释。
通信首先必须实现正确双方的正确握手，令上位机电台站发送一个字节地址，下位机在收到1个字节后与本节点原始固定地址进行比较验证，地址与本节点地址相符后，即验证通过，握手成功，表示上位机有数据发送请求，下位机准备数据读取的动作，之后上传实际测量的物理量字节；如没有收到本节点地址信息，则未通过，不会启动上传数据程序。规定一帧数据包含6个字节，第1个字节是数据源地址标识，第2、3、4个字节是对应物理量的十六进制表示值，第5个字节是铅酸蓄电池电压值，最后一个字节是和校验字节，系统中采用和校验，对一帧数据的前5个字节进行加和运算。上位机收到一帧数据后，进行同样的运算，将运算结果同本帧数据的最后一个字节进行比较，如若相同，则数据正确；如若不同，表示该帧数据出错，予以丢弃。
现场应用试验证明，在录井系统这种数据传输速率要求不高、数据量不大的应用情况下，以上协议可以满足系统要求。
录井无线传输系统的低功耗设置与测试
现场录井采集传输模块采用“太阳能电池板+可充电电池”的无线供电技术。为了不影响录井作业，需要电源能够不间断地提供所需。在夜间用电池储存的电能来供给无线采集传输模块的运行，遇到连续阴雨天时必须保证无线采集传输模块至少工作3天。在给定可充电电池的容量和太阳能电池板的功率的条件下，应当采用合理的设计手段，尽可能降低系统功耗。除了考虑数据采集板器件的低功耗选型和设计外，系统工作模式的设置也非常重要。
影响无线收发电路功耗的因素很多，包括节点采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等。从系统工作过程可以看出，单个现场无线采集传输模块并没有一直在工作，在一个巡检周期的大部分时间里它处在等待状态。例如一个小型录井仪一般有5个现场节点，要求每秒钟对每个节点采样一次，即巡检周期为1s。而录井数据传输量并不大，一般主计算机发出的命令为1个字节，无线采集传输模块每次上传的有效数据为4个字节，包括其他信息在内也不超过12个字节。以每次上传12个字节，通信波特率为9600计算，一次数据通信用时为T=12×8／9600=0.01s，即单个无线采集传输模块与主计算机每次通信至多为10ms，在剩下的超过900ms的时间里无线采集传输模块处在空闲状态。
24XStream电台具有4种工作模式，即发送、接收、空闲和睡眠状态，每种工作模式下的电流消耗见表1。从表1中数据可以看出，电台在发射时的电流很大，在空闲状态的电流消耗与接收状态一样。也就是说不管是工作状态还是空闲状态，其电流消耗都不低于90mA。而在睡眠状态时，仅有6mA的电流消耗。如果让无线采集传输模块在900ms没有数据收发的空闲时间里处于睡眠状态，可以大大降低系统的功耗。
图2是利用24XStream计算软件对电台在各种情况下的功耗进行了计算。
以上根据数据传输量、通信速率和睡眠功能这三方面的因素，计算了5种情况下电台的功耗：A、B、C、D、E(周期均为1s，发射时电流180mA，接收／空闲时电流为90mA，睡眠时电流6mA)。按照同样的情况，进行了实际功耗测试与比较，如表2所示。
从计算比较和实际功耗测试比较可以看出，使用睡眠功能后，电流消耗大大降低。另外，数据传输量的减少和通信速率的提高也能在一定程度上降低功耗，但不是影响系统功耗的主要因素。需要指出的是，电台从睡眠状态唤醒需要一定时间，实际测量的功耗要稍微高于理论计算值，但总体来说使用睡眠功能时该电台的功耗很低。
结语
钻井现场有许多大功率电机和其他仪器设备，电磁辐射很严重，而且现在钻井作业不仅是在旷野地带，有时也会在距离市区建筑较近的地方，在这些地区进行录井作业，数据的无线传输会受到影响，高大建筑物会对无线通信的质量和传输距离产生一定的影响。本文设计的录井数据传输系统中选用XSteam24无线数据传输电台，工作在ISM频段，数据传输准确，抗干扰性好，功率消耗低，比传统的数据通信方法有很多改进和提高，满足录井工程的需要。
关键词：24XStream录井数据传输；低功耗；无线模块
引言
在传统的石油录井工业中，数据信号传输是采用“一对一”方式的RS-485总线传输，技术含量低、通用性差、可靠性低。近年来，基于现场总线的数据传输方式得到发展，国内外先后出现了基于现场总线(Lon Works、CAN等)的录井仪器设备。现场总线技术的使用一定程度上减小了布线工作量，但由于有线供电的需要，也无法大量减少布线。而且，必须在开钻前铺设好通讯线路和供电线路，在井场搬迁过程中拆卸和安装工作量大，容易导致设备的损坏。特别是小型录井仪，主要应用于生产井，测量参数较少，钻井周期较短，这样传感器的拆装工作就显得尤为繁琐。根据小型录井仪的应用特点，将短距离无线数据传输技术引入录井数据传输系统，取代井场上工程参数短距离有线线缆传输，可以避免以上所述的各种弊端。
无线传输方式与无线电台的选择
在录井工程中，根据生产现场情况的不同，现场传感器与仪器房之间的距离在几十米到几百米不等，属于短距离无线通信。目前可应用于工业领域的短距离无线通信技术主要有：红外线数据传输(IrDA)、无线局域网802.11(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee和超宽带无线电(UWB)等，这些技术各有特点和适用范围。
红外线数据传输不受无线电干扰，不需要申请频率，但它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准、通视，中间不能有阻挡。由于井场上各传感器的位置、距离等不确定，因此，不适合用于井场数据传输。
无线局域网802.11b技术是一种基于电磁波传输的无线通信技术，使用2.4GHz ISM频段。该通讯方式具有速率高(可达11Mbit／s)、覆盖范围大(可达300m)的特点，但是它的功耗过大，对于使用电池供电的录井传感器而言是个致命缺陷。
蓝牙技术同样是一种基于电磁波传输的无线短距离通信技术，通信频段亦为2.4GHzISM频段，可提供1Mbit／s传输速率和10m传输距离。
ZigBee技术基于IEEE 802.15.4标准，工作在2.4GHz ISM公共频段。有效覆盖范围10～75m之间，数据传输速率10kB／s～250kB／s。
超宽带无线电是近年来发展迅猛的新型通信方式，它是基于冲激脉冲自身的宽频谱特性，通过对具有特殊波形的冲激脉冲进行调制获得载有信息且符合频带要求的无线电信号。超宽带无线电直接发射脉冲，不需中频和射频电路，有利于减小体积和降低能源消耗。
综合考虑可靠性、数据传输实时性、低功耗和成本等各种因素，采用美国MaxStream公司的低功耗、高速无线数传电台24XStream，具有以下突出特点：工作频率为2.4GHz，该频段无授权限制，同时避免了同现场低频信号及公用无线通信频段的碰撞，传输可靠；使用时只要将DB9接口与PC或微处理器相连，通过串口向电台发送数据，在另一端从电台串口读取数据就能实现无线通信；工业级产品工作温度40～85℃，可以满足钻井现场要求；传输距离在室内或城市不接天线工作也能达到180m的传输距离，在室外空旷地区配以天线传输距离高达几千米，可以满足录井现场的应用条件要求。
录井无线数据传输系统的设计与实现
系统结构设计如图1所示，将井场采集板和数传电台通过串口连接，采集的数据由测量节点发送到录井仪器房。录井仪器房主计算机与现场无线采集传输节点之间的通信网络结构是一点对多点的主从结构，数据传输量不大，由主计算机来按照一定的周期，通过指令依次巡检各个现场无线采集传输模块并收集数据。
录井无线数据传输的通信协议
系统采用异步串行通信方式传输测量数据，录井无线数据传输工作流程如下：
·主计算机发出命令，要求某个现场无线采集传输模块采集信号并上传数据；
·相应的现场无线采集传输模块接收到命令后采集被测参数信号，并把处理后数据发送到主计算机；
·该现场无线采集传输模块上传数据之后进入等待状态，直到监控计算机巡检完所有的无线采集模块后，再次向该采集传输模块发出命令。
系统是一点对多点通信，需要进行数字电台与单片机、终端主控机的通信协议的设计。数传电台24XStream点对点之间有固有的通信协议，具有自己的帧格式标准，对所传输数据采用CRC校验。对用户来说，数据传输是透明的。用户可以根据应用系统要求，在外部再封装一层自己的协议，进一步提高数据准确性。
本系统采取9600bit／s串口通信速率。单片机读取到前端数据后，首先将数据打包、加帧头、加校验码和填充数据以构成传输帧，而后将数据经由串行口发送至无线传输电台，在2.4GHz的频段上调制后以9600bit／s的数据率进行无线发射。
由于录井数据采集与传输节点个数有多个，而且在录井过程中是同时在工作的，为了保证数据传输的实时性，要实现轮循工作。赋予每个节点一个地址，在每帧数据中引入了对每块数据采集板的编号，即给每块采集板赋予不同的地址，按地址循环访问，构成一个由一台主机和多个传感器节点组成的通信网络。上位机访问节点时就发出相应地址命令，下位机将数据封装为一个帧，将地址字节作为该帧帧头，上位机根据帧头分离数据类型，将收到的数据分别存储到对应的数据库，做数据的处理和解释。
通信首先必须实现正确双方的正确握手，令上位机电台站发送一个字节地址，下位机在收到1个字节后与本节点原始固定地址进行比较验证，地址与本节点地址相符后，即验证通过，握手成功，表示上位机有数据发送请求，下位机准备数据读取的动作，之后上传实际测量的物理量字节；如没有收到本节点地址信息，则未通过，不会启动上传数据程序。规定一帧数据包含6个字节，第1个字节是数据源地址标识，第2、3、4个字节是对应物理量的十六进制表示值，第5个字节是铅酸蓄电池电压值，最后一个字节是和校验字节，系统中采用和校验，对一帧数据的前5个字节进行加和运算。上位机收到一帧数据后，进行同样的运算，将运算结果同本帧数据的最后一个字节进行比较，如若相同，则数据正确；如若不同，表示该帧数据出错，予以丢弃。
现场应用试验证明，在录井系统这种数据传输速率要求不高、数据量不大的应用情况下，以上协议可以满足系统要求。
录井无线传输系统的低功耗设置与测试
现场录井采集传输模块采用“太阳能电池板+可充电电池”的无线供电技术。为了不影响录井作业，需要电源能够不间断地提供所需。在夜间用电池储存的电能来供给无线采集传输模块的运行，遇到连续阴雨天时必须保证无线采集传输模块至少工作3天。在给定可充电电池的容量和太阳能电池板的功率的条件下，应当采用合理的设计手段，尽可能降低系统功耗。除了考虑数据采集板器件的低功耗选型和设计外，系统工作模式的设置也非常重要。
影响无线收发电路功耗的因素很多，包括节点采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等。从系统工作过程可以看出，单个现场无线采集传输模块并没有一直在工作，在一个巡检周期的大部分时间里它处在等待状态。例如一个小型录井仪一般有5个现场节点，要求每秒钟对每个节点采样一次，即巡检周期为1s。而录井数据传输量并不大，一般主计算机发出的命令为1个字节，无线采集传输模块每次上传的有效数据为4个字节，包括其他信息在内也不超过12个字节。以每次上传12个字节，通信波特率为9600计算，一次数据通信用时为T=12×8／9600=0.01s，即单个无线采集传输模块与主计算机每次通信至多为10ms，在剩下的超过900ms的时间里无线采集传输模块处在空闲状态。
24XStream电台具有4种工作模式，即发送、接收、空闲和睡眠状态，每种工作模式下的电流消耗见表1。从表1中数据可以看出，电台在发射时的电流很大，在空闲状态的电流消耗与接收状态一样。也就是说不管是工作状态还是空闲状态，其电流消耗都不低于90mA。而在睡眠状态时，仅有6mA的电流消耗。如果让无线采集传输模块在900ms没有数据收发的空闲时间里处于睡眠状态，可以大大降低系统的功耗。
图2是利用24XStream计算软件对电台在各种情况下的功耗进行了计算。
以上根据数据传输量、通信速率和睡眠功能这三方面的因素，计算了5种情况下电台的功耗：A、B、C、D、E(周期均为1s，发射时电流180mA，接收／空闲时电流为90mA，睡眠时电流6mA)。按照同样的情况，进行了实际功耗测试与比较，如表2所示。
从计算比较和实际功耗测试比较可以看出，使用睡眠功能后，电流消耗大大降低。另外，数据传输量的减少和通信速率的提高也能在一定程度上降低功耗，但不是影响系统功耗的主要因素。需要指出的是，电台从睡眠状态唤醒需要一定时间，实际测量的功耗要稍微高于理论计算值，但总体来说使用睡眠功能时该电台的功耗很低。
结语
钻井现场有许多大功率电机和其他仪器设备，电磁辐射很严重，而且现在钻井作业不仅是在旷野地带，有时也会在距离市区建筑较近的地方，在这些地区进行录井作业，数据的无线传输会受到影响，高大建筑物会对无线通信的质量和传输距离产生一定的影响。本文设计的录井数据传输系统中选用XSteam24无线数据传输电台，工作在ISM频段，数据传输准确，抗干扰性好，功率消耗低，比传统的数据通信方法有很多改进和提高，满足录井工程的需要。